Модель плодовой мушки выявила ключевые регуляторы развития органов

Новая вычислительная модель, симулирующая развитие крыла плодовой мушки (Drosophila), позволила исследователям выявить ранее скрытые механизмы, лежащие в основе формирования органов.

Поскольку органы развиваются удивительно схожим образом у плодовых мушек и людей, биологические инсайты, полученные с помощью этой модели, могут быть использованы для улучшения диагностики и лечения человеческих заболеваний, таких как рак, болезнь Альцгеймера и врожденные генетические дефекты.

Исследовательская группа под руководством Джеремайи Зартмана, доцента химического и биомолекулярного инжиниринга в Университете Нотр-Дам, в сотрудничестве с коллегами из Калифорнийского университета в Риверсайде разработала модель плодовой мушки для обратного инжиниринга механизмов, генерирующих ткань органа.

Результаты работы, предлагающие более глубокое понимание химических и механических "рычагов", регулирующих размер и форму клеток органа, опубликованы в журнале Nature Communications.

"Мы пытаемся смоделировать орган в компьютере — по сути, создавая его цифрового двойника", — сказал Зартман. — "Мы берем различные клетки и части клеток, чтобы посмотреть, сможем ли мы предсказать, как они будут взаимодействовать друг с другом".

Органы развиваются в ответ на то, что Зартман называет "симфонией" сигналов. Модель плодовой мушки интегрирует многочисленные сигналы, которые оркеструют движение клеток, их сокращение, адгезию и пролиферацию. Она также включает механические, химические и структурные свойства клеточных компонентов и учитывает, как эти свойства меняются со временем и в разных локациях.

Как модель, так и экспериментальные результаты лаборатории Зартмана показали, что существуют два различных класса химических сигнальных путей (последовательностей сигналов), которые производят либо изогнутые, либо плоские ткани. Это выявило гибкость и настраиваемость процесса формирования органа заданной формы.

Клетки, получающие сигналы от инсулина, приводили к увеличению кривизны ткани, в то время как клетки, получающие сигналы от двух других ключевых регуляторов роста, уплощали ткань. Исследователи обнаружили, что эти регуляторы роста также манипулируют внутренним каркасом клетки (цитоскелетом), чтобы дополнительно формировать размер и форму клетки.

Глобальной целью группы Зартмана является определение степени, в которой биологические правила, извлеченные из исследований смоделированных органов мух, являются общими для столь различных систем, как растения, рыбы и люди.

"Наша цель на будущее — разработать цифровой прототип органа, который решает фундаментальный вопрос биологии: как клетки создают функциональные органы?" — сказал Зартман.