Механизм подавления биологического шума раскрыт

Физические различия между организмами одного типа, например, двумя людьми, происходят от так называемого шума развития, вызванного вероятностными столкновениями реагирующих молекул и условиями среды в клетках на ранних стадиях роста организма. Обычно существуют механизмы, предотвращающие превращение биологического шума в неправильное развитие организма. Макото Сато из Университета Канадзавы и его коллеги обнаружили, что конкретный биохимический сигнальный путь способствует подавлению шума в процессе дифференцировки нейральных стволовых клеток — самообновляющихся клеток, играющих важную роль в развитии нервной системы животных на эмбриональной стадии.

В качестве модельной системы для понимания механизмов подавления биологического шума в многоклеточном организме исследователи изучили конкретную стадию развития зрительной системы плодовых мушек: распространение так называемой proneural-волны, в ходе которой нейроэпителиальные клетки дифференцируются в нейробласты (клетки в процессе деления на нейроны).

Вдохновлённые более ранними исследованиями, Сато и коллеги предположили, что сигнальный путь (конкретная цепочка реакций между белками в клетках), известный как JAK/STAT, участвует в подавлении шума. Учёные объединили математическое моделирование и генетические эксперименты. Для первого они разработали набор математических уравнений, которые количественно оценивают вариации в системе и воспроизводят прогрессию proneural-волны. При включении сигналинга JAK/STAT они обнаружили, что спонтанная, вызванная шумом дифференцировка нейробластов подавляется.

Чтобы подтвердить эффект сигналинга JAK/STAT in vivo, исследователи провели эксперименты, в которых этот сигнальный путь контролируемо снижали. При снижении наблюдалась стохастическая дифференцировка нейробластов, что согласуется с выводом о том, что JAK/STAT обладает функцией подавления шума. Дальнейшие генетические эксперименты дали больше информации о деталях того, как происходит это подавление, и о том, что эта функция, возможно, сохранялась в ходе эволюции.

Работа Сато и коллег не только способствует лучшему пониманию механизмов подавления шума в биологии развития, но и подчёркивает силу сочетания исследований in silico с in vivo. Учёные пишут: «Применяя комбинацию математического моделирования и молекулярной генетики, мы можем решать биологические вопросы, которые ранее было трудно решить».