Новое исследование раскрывает временную организацию развития тканей

При развитии позвоночных эмбрионов группа клеток самоорганизуется в нервную трубку, которая впоследствии становится головным и спинным мозгом. Этот процесс управляется специфическими сигнальными молекулами — морфогенами, но то, как развивающиеся клетки интерпретируют эти сигналы, оставалось неясным. Исследователи из Института науки и технологий Австрии (ISTA) получили новые данные, используя миниатюрные 2D-органоиды и силиконовые формы.

Морфогены, такие как BMP (костные морфогенетические белки) и Wnt, производятся в определенных местах растущих органов и образуют градиенты концентрации. В зависимости от концентрации морфогена клетки принимают на себя разные роли, формируя самоорганизующиеся паттерны клеточных типов. «То, как эти морфогены формируют сигнальные градиенты в растущих тканях, плохо изучено», — объясняет Анна Кичева.

Самоорганизация клеток в органоидах

Исследовательская группа под руководством Стефани Лер, аспирантки в группе Кичевой, столкнулась с трудностями при изучении развития нервной трубки в самом эмбрионе. Вместо этого они создали органоиды — упрощенные миниатюрные версии органов в чашке Петри, имитирующие эмбриональный спинной мозг.

Ученые разработали новый метод с использованием сте́нсилов — резиноподобных силиконовых листов с маленькими отверстиями. Клетки-предшественники культивировались внутри этих отверстий, формируя органоиды. После удаления стенсилов колонии могли расти и развиваться, близко имитируя естественные условия в эмбрионе. «Этот метод дает нам захватывающую возможность изучать рост тканей и формирование паттернов количественно», — отмечает Кичева.

Динамика градиента BMP: появление и исчезновение

Используя этот подход, ученые исследовали роль BMP в самоорганизации. Они обнаружили, что в органоиде с самого начала существует градиент сигналинга BMP. Этот градиент быстро возникает, затем исчезает, только чтобы снова появиться. Подобная динамика, вероятно, происходит и в эмбрионе.

Теоретический анализ, проведенный коллегами Эдуаром Ханнезо и Дэвидом Брюкнером, в сочетании с экспериментальной проверкой показал, что такое поведение обусловлено взаимосвязанными отрицательной и положительной обратными связями, работающими в разных временных масштабах.

1. Начальная фаза: Клетки, особенно на периферии, высокочувствительны к BMP, и устанавливается ранний градиент.
2. Отрицательная обратная связь: Этот ранний градиент индуцирует ингибиторы, которые быстро его отключают.
3. Положительная обратная связь: Одновременно ранний градиент активирует ключевой белок Lmx1a, который, в свою очередь, медленно активирует BMP, заставляя градиент появиться снова.
4. Специализация: Этот поздний градиент BMP затем продолжает управлять дальнейшей специализацией клеточных типов.

Этот механизм позволяет пути сигналинга использоваться повторно во времени и помогает синхронизировать последующие этапы развития.

Время как ключевой фактор

Ранее считалось, что именно концентрация морфогенов определяет судьбу клетки. Данное исследование добавляет доказательств тому, что временные изменения сигнала, а не абсолютные концентрации, критически важны для понимания организации клеточных судеб в тканях. Проще говоря, важно не количество триггера, а то, как он изменяется во времени.

«Мы обнаружили, что простой триггер (в данном случае BMP) индуцирует сложный ответ, при котором градиент самоорганизуется в ткани и претерпевает сложную временную динамику. Именно такой тип реакции лежит в основе способности эмбрионов и органоидов к самоорганизации», — говорит Анна Кичева.

Понимание того, как клетки самоорганизуются в функциональные органы, является фундаментальным вопросом биологии развития и стволовых клеток. Эти знания также имеют медицинское значение и важны для прогресса в регенеративной медицине и тканевой инженерии.

Публикации: Соответствующий протокол и результаты опубликованы в журналах STAR Protocols и Developmental Cell соответственно.