Ученые объяснили неравномерную окраску пятнистых животных
Исследователи из Института биоорганической химии РАН и коллеги предложили новый механизм динамической самоорганизации пространственных структур в эмбриогенезе. С помощью методов математического моделирования они показали, что эта самоорганизация может быть обусловлена значительной разницей в скоростях взаимного проникновения (диффузии) белков-морфогенов, возникающей из-за разного связывания биологически активных веществ (морфогенов) во внеклеточном матриксе. Результаты работы, опубликованные в PLOS ONE, создают предпосылки для новых моделей, описывающих разнообразие форм на ранних стадиях развития организма.
На ранних стадиях развития эмбриональные органы состоят из множества одинаковых клеток, которые затем формируют сложные пространственные структуры, размеры которых намного больше самих клеток. Считается, что такие структуры образуются в результате динамической самоорганизации, в которой важную роль играют белки-морфогены, секретируемые клетками и распространяющиеся на большие расстояния. Одно из необходимых условий для самоорганизации — нахождение системы в состоянии острого неравновесия, то есть в условиях сильной диссипации энергии. Поэтому такие структуры часто называют «диссипативными».
«Усложнение зародыша можно упрощенно свести к законам территориального деления, в котором дифференцированные клетки играют разные роли в организме. Во многих случаях инструкции для этого упорядоченного пространственного дифференцирования клеток эмбриональной ткани получаются благодаря формированию диссипативных структур. Они обычно проявляются как градиенты концентрации белков-морфогенов. В результате эмбриональные клетки в разных точках вдоль этого градиента подвергаются воздействию разных концентраций морфогенов и получают сигналы к дифференцировке», — объясняет Андрей Зарайский.
Известно, что сложные структуры возникают, когда есть как минимум два диффундирующих и нелинейно взаимодействующих морфогена с резко различающимися коэффициентами диффузии. Однако реальные белки-морфогены имеют схожий размер и примерно одинаковую подвижность в водных растворах.
«Что именно приводит к достижению разницы в скоростях диффузии морфогенов, необходимой для самоорганизации диссипативных структур? Долгое время этот вопрос оставался открытым», — говорит Алексей Нестеренко. — «Ранее мы показали, что в процессе диффузии в межклеточном пространстве разные морфогены могут связываться с разной силой с протеогликанами, специфическими белками внеклеточного матрикса».
Исследователи предположили, что именно эта разница в неспецифическом связывании морфогенов может обеспечить значительную разницу в скорости их диффузии.
«Мы применили математическую модель, чтобы продемонстрировать, что система, состоящая из двух равномерно-подвижных морфогенов, при условии, что один из них адсорбируется на внеклеточном матриксе, позволяет получить пространственную структуру механизма динамической самоорганизации», — объясняет Максим Кузнецов.
Авторы применили новую модель к примерам у нескольких организмов, включая процесс окраски сома-кукушки.
«Эта рыба из семейства перистоусых сомов имеет желтую окраску с многочисленными черными пятнами, разбросанными по всему телу. Разработанная нами модель дает адекватное объяснение формированию и закономерному уменьшению количества пятен ее окраски в направлении от хвоста к голове», — говорит Дарья Короткова.
Данный подход создает предпосылки для разработки математических моделей для все более разнообразных морфологических форм в эмбриогенезе. Исследователи уже работают над его дальнейшей экспериментальной проверкой.