Как плодовая мушка получила свои полосы: Исследователи изучили точность эмбрионального развития

Исследователи из Принстона, используя математические инструменты и плодовых мушек, раскрыли новые данные о механизмах, лежащих в основе невероятной точности первых моментов жизни.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Cell, команда показала, что клетки определяют своё точное местоположение и, следовательно, то, какими частями тела они станут, оптимизируя использование всей доступной информации из генетического кода. Эта оптимизация позволяет каждой клетке позиционироваться с точностью до ширины одной клетки, а не совершать ошибки, которые позже исправляются.

Исследование также демонстрирует, что сложная биологическая система может работать в соответствии с математически оптимальным процессом. Команда смогла предсказать расположение клеток с точностью до 1% от их фактического положения вдоль оси эмбриона, показав, что биологическое поведение можно вычислять и предсказывать на основе теоретических принципов.

"Информация, необходимая для определения точного местоположения клеток — и, следовательно, того, какими частями тела они станут, — присутствует и используется на самых ранних стадиях развития плодовых мушек", — сказал Томас Грегор.

"Теоретическая идея очень проста: каждая клетка использует всю информацию, которую может извлечь из соответствующих генов", — добавил Уильям Бялек.

Учёные давно знали, что полосы на эмбрионе мушки формируются в результате каскада шагов, начинающегося с матери, которая помещает в каждое яйцо набор инструкций из трёх различных типов сигнальных молекул. Эти молекулы образуют градиенты концентрации, которые активируют четыре так называемых "gap"-гена. Экспрессия этих генов производит белковые молекулы, действующие на участки ДНК (энхансеры), чтобы запустить "pair-rule" гены, создающие полосатый узор.

Мариела Петкова, соавтор исследования, провела детальные измерения экспрессии gap-генов и точного количества молекул в клетках вдоль оси тела эмбриона. Эти данные позволили теоретической части команды (Гашпер Ткачик и Уильям Бялек) смоделировать, как клетки используют информацию для определения своего места, используя подход "оптимального декодирования".

Ключевой результат: Команда не только предсказала расположение полос в нормальных эмбрионах, но и точно предсказала, как различные генные мутации изменяют рисунок полос — например, заставляя некоторые полосы исчезать или формироваться не в том месте.

"Мы использовали генетические манипуляции, чтобы перетасовать паттерны gap-генов и "обмануть" клетки, заставив их "думать", что они находятся в другом месте... Когда мы посмотрели на эти мутантные эмбрионы под микроскопом, мы действительно нашли полосы в предсказанных местах!" — сказала Мариела Петкова.

Это исследование даёт надежду на создание "предсказательной теории для биологии", где общие теоретические принципы могут быть связаны с экспериментом в мельчайших количественных деталях.

"Что поразительно для меня, так это то, насколько точной и воспроизводимой может быть информация на одном-единственном этапе развития, и как эволюция и естественный отбор могут подтолкнуть клетки к максимально эффективному использованию этой информации", — отметил Эрик Вишаус.

Хотя исследование проводилось на плодовой мушке (Drosophila melanogaster), часто используемой для изучения общих биологических принципов, вопрос о том, используют ли другие организмы информацию столь же оптимально, остаётся открытым.