Как цитоплазма отделяется от желтка

Сегрегация желтка от окружающей цитоплазмы в самом раннем эмбрионе рыбы — ключевой процесс для развития личинки. Чтобы выявить его механизмы, биологи из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) объединились с коллегами-теоретиками. Открытие: динамика актина в объеме клетки управляет фазовым разделением в ооцитах zebrafish.

Одноклеточная икринка рыбы развивается в многоклеточный эмбрион менее чем за два часа после оплодотворения. За это время цитоплазма, из которой позже сформируется тело животного, должна полностью отделиться от желтка, которым будет питаться личинка. Ранее клеточные биологи предполагали, что этому разделению способствует локальное расширение поверхности клетки на одном полюсе яйца. Однако прямых доказательств этой модели не хватало.

Объединение сил: эксперименты и физическая теория

Чтобы понять физическую основу процесса, аспирант Шаян Шамипур из группы биолога развития Карла-Филиппа Гейзенберга объединился с группой теоретического физика Эдуарда Ханнезо. Основываясь на совместном опыте, авторы (включая третьего профессора IST Austria Бьёрна Хофа) показали, что силы, действующие на поверхности клетки, не являются существенными для этого процесса — в отличие от предыдущих моделей. Вместо этого они обнаружили, что комбинированные тянущие и толкающие силы внутри эмбриона облегчают сегрегацию цитоплазмы от гранул желтка. Важно, что разработанная для описания этого процесса теория применима к любому разделению, вызванному силами активной жидкости, и может быть использована для изучения подобных процессов в эмбрионах млекопитающих/человека.

Размер имеет значение

Но как генерируются эти согласованные движения? В объеме клетки, вдали от поверхности, филаменты актина и миозина — белков, также участвующих в сокращении мышечных клеток — образуют плотную сеть. Полимеризация и сокращение этой сети запускают потоки актина к анимальному полюсу яйца (полушарию, которое позже дифференцируется в эмбрион). Благодаря пассивным силам трения эти потоки актина увлекают за собой цитоплазму. Более крупные гранулы желтка, напротив, не увлекаются актином, поскольку их трение с актином намного ниже. Вместо этого они активно выталкиваются (или выжимаются) к противоположному вегетативному полюсу яйца кометообразными актиновыми структурами — особыми структурами, функция которых ранее не описывалась в процессах развития. Комбинация этих тянущих и толкающих сил обеспечивает надежное разделение цитоплазмы и желтка.

Проливая свет на темные области

Изучив более глубокие части клетки, междисциплинарная команда показала, что расширение анимального полюса на поверхности клетки, как предполагалось ранее, не является существенным для сегрегации. «Актиновые структуры на поверхности выглядят очень ярко, и их легко изучать. Возможно, поэтому ученые до сих пор просто не смотрели глубже в более темную объемную область, которая составляет большую часть клетки», — говорит ведущий автор Шаян Шамипур. Усовершенствованная обработка изображений позволила исследователям IST Austria детально изучить развитие икринок сразу после оплодотворения. Но, как добавляет Шамипур, ключом к успеху было другое: «Чтобы поймать самые первые моменты развития, нам нужно было действовать очень быстро: как только рыба начинала метать икру, я запускал секундомер, и мои коллеги видели, как я бегу из рыбного питомника в микроскопную комнату, чтобы наблюдать и записывать процесс».

Любознательность и командная работа

По словам Шамипура, биолога с физическим образованием, он давно сомневался в общепринятом поверхностном объяснении: «Эмбрион преследует большую цель: он должен разделиться из одной клетки в тысячи за очень короткое время. Было очевидно, что одного предложенного поверхностного механизма для этого недостаточно, и эмбрион должен использовать другие механизмы для ускорения процесса». Именно любознательность молодого ученого в сочетании с междисциплинарной культурой групп Гейзенберга и Ханнезо (которую активно поддерживает IST Austria) позволила Шамипуру выявить и проанализировать ключевые клеточные процессы, которые могут быть важны и для других организмов.