Контрольная теория раскрывает, как ткани рыбки-зебры согласованно выстраиваются и удлиняются в процессе развития

Ткани средней линии эмбриона рыбки-зебры координируют свой рост во время развития, используя стратегию «лидер-последователь», описываемую теорией управления формацией. Об этом сообщают исследователи из Японии и США. Хорда выступает в роли лидера, в то время как соседние ткани растут и мигрируют вместе с ней в ответ на градиенты фактора роста фибробластов (FGF), опосредованную кадгерином-2 клеточную адгезию и механосенсорную сигнализацию Yap. Исследователям удалось воспроизвести это поведение с помощью математической модели, раскрыв принцип согласованного развития тканей в эмбрионах, основанный на теории управления.

Развитие животного из одной клетки требует невероятной точности. Различные ткани (мышцы, нервы, органы) должны формироваться и расширяться синхронно, сохраняя правильное взаимное расположение. Механизмы, лежащие в основе этой гармоничной координации, оставались в значительной степени неизвестными.

В новом исследовании команда под руководством доцента Тору Каваниши из Института науки Токио (Science Tokyo) в сотрудничестве с профессором Шоном Мегасоном из Гарвардской медицинской школы изучила механизм координации роста тканей у эмбрионов рыбок-зебры. Работа опубликована в журнале Science Advances 30 июля 2025 года.

Учёные сфокусировались на трёх тканях средней линии эмбриона — хорде, вентральной пластинке (floorplate) и субхорде (hypochord), — которые должны удлиняться вместе, сохраняя точное выравнивание при формировании оси тела.

С помощью высокоразрешающей визуализации в реальном времени и математического моделирования было обнаружено, что вентральная пластинка и субхорда следуют за хордой-лидером. Однако ткани-последователи используют не простое добавление клеток на конце, а сложную стратегию миграции.

Клетки-последователи коллективно перемещаются по поверхности удлиняющейся хорды в ответ на градиент сигнальных молекул фактора роста фибробластов. Этот процесс вызывает лёгкое механическое растяжение, которое стимулирует деление клеток через механосенсорный белок Yap.

Эксперименты показали, что клетки в хвостовой части мигрируют активнее, чем клетки ближе к голове, что обеспечивает равномерное распределение механических сил по ткани. Это предотвращает образование разрывов и позволяет осуществлять быстрый и синхронный рост. Компьютерное моделирование подтвердило, что такая «градуированная миграция» необходима для сохранения целостности тканей при их удлинении.

Кроме того, в заднем конце, где происходит новый рост, между тканями существуют прочные адгезионные связи, опосредованные белком кадгерин-2. Эта адгезия действует как механизм тонкой настройки, позволяя тканям-последователям в реальном времени корректировать скорость своего удлинения, чтобы соответствовать ткани-лидеру, даже если их собственные скорости роста различаются.

Все эти механизмы «лидер-последователь» были успешно воспроизведены с помощью математической модели, основанной на теории управления формацией.

«Наше исследование представляет новый принцип проектирования для скоординированного роста тканей в эмбриональном развитии, показывая, что концепции из теории управления, включая управление формацией, могут быть применены к биологическим системам», — говорит Каваниши.

Эти результаты открывают новые пути для понимания того, как строятся и поддерживаются сложные тканевые архитектуры, что потенциально применимо и к другим органам и видам.