Как возникают сложные узоры в развивающихся тканях

Новое исследование из Лаборатории морфогенеза Университета Рокфеллера показывает, что паттерны в развивающихся тканях могут возникать спонтанно из физических взаимодействий между коллективами клеток и окружающим их матриксом. Эти взаимодействия создают жидкостные свойства, позволяющие формировать узоры, аналогично тому, как плёнка воды на лобовом стекле собирается в капли.

Используя кожу цыплёнка в качестве модели, исследователи обнаружили, что механические силы между клетками нарушают симметрию ткани, побуждая клетки агрегировать в периодически расположенные пучки, из которых позже вырастут перья. Эти структурные изменения запускают вторичные изменения в экспрессии генов, ведущие к классической молекулярной сигнализации.

Результаты, опубликованные в Cell, дают лучшее понимание физических факторов, участвующих в формировании органов.

"Развитие органа включает непрерывное взаимодействие механических и молекулярных процессов", — говорит доцент Эми Шайер. "Понимание точной последовательности шагов в этой петле обратной связи может помочь нам восстанавливать ткани или изучать формирование опухолей с новых точек зрения".

Механизм самоорганизации

Исторически генам приписывали ведущую роль в этом биологическом инжиниринге. Однако некоторые структуры формируются в таком большом масштабе, что трудно объяснить, как молекулярные сигналы контролируют образование паттернов на таком большом расстоянии, что указывает на участие других механизмов.

В новом исследовании команда использовала первичные клетки кожи, взятые из эмбрионов цыплят, и добавила коллаген — важный компонент, обеспечивающий структуру кожи. Только этих двух ингредиентов было достаточно, чтобы весь процесс развернулся в лабораторной чашке.

Наблюдая за процессом агрегации клеток, ведущий автор исследования Карл Палмквист обнаружил, что сократительные клетки кожи начали прикрепляться к окружающему их сетчатому, коллагеновому субстрату и тянуть его. Сила тяги многих клеток перестраивает матрикс в высокоупорядоченную структуру, которая сопротивляется натяжению. Клетки, чувствуя возросшее напряжение, сокращаются сильнее, усиливая тягу. В конечном итоге, взаимные силы между клетками и внеклеточным матриксом создают коллективное выравнивание клеток, которое позволяет полю клеток превратиться в упорядоченный узор из фолликулоподобных агрегатов.

Команда разработала теоретическую модель развивающейся кожи на основе физических свойств жидкостей. Эта модель точно предсказала спонтанное формирование регулярных многоклеточных агрегатов.

Команда планирует исследовать, как подобная многоклеточная механика может быть важна для структурирования других тканей тела в процессе развития и при заболеваниях.