От симметрии к асимметрии: две стороны жизни

Снаружи животные часто выглядят двусторонне симметричными. Однако внутри баланс нарушается — такие органы, как лёгкие и кишечник, обладают лево-правой (LR) асимметрией. Исследователи из Университета Осаки, используя инновационную технику визуализации движения клеточных ядер в живой ткани, определили паттерны их выравнивания, ответственные за LR-асимметричное формирование внутренних органов у развивающегося эмбриона.

Долгой загадкой биологии развития остаётся нарушение LR-симметрии в эмбрионе для инициации латерализации органов. Механизмы, индуцирующие LR-асимметрию, хорошо известны у позвоночных, но биомеханика у беспозвоночных оставалась неясной.

Команда сосредоточилась на развитии кишечника, в частности передней средней кишки (AMG) Drosophila (плодовой мушки), как модели для изучения LR-асимметричного развития у беспозвоночных. «Правильное развитие органов часто требует перемещения ядер в определённое положение внутри клетки», — поясняет первый автор Донгсун Шин.

Для динамического отслеживания ядер в живой ткани исследователи разработали новый метод. С помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа они получили трёхмерные (3D) видеозаписи в реальном времени иммуноокрашенной средней кишки Drosophila на соответствующей эмбриональной стадии. Затем, применяя математическое моделирование и вычислительные методы визуализации, они создали 3D-анимированные модели миграции ядер в висцеральных мышцах.

С помощью 3D-таймлапсов учёные выявили:

• Исходное LR-симметричное распределение ядер мышц AMG вдоль передне-задней оси — «правильное позиционирование ядер».
• «Коллективное поведение ядер», при котором скученные ядра активно меняли свои относительные позиции с LR-симметрией.

Это симметричное начальное «правильное позиционирование ядер» и «коллективное поведение» ответственны за последующее LR-асимметричное развитие AMG. В экспериментах на генетически модифицированных эмбрионах Drosophila показано, что когда ядра выравнивались с LR-асимметрией, последующее LR-асимметричное развитие AMG нарушалось. Авторы предполагают, что коллективно выровненные ядра, будучи самыми жёсткими органеллами, могут действовать как структурные опоры, поддерживая форму кишечника и влияя на его LR-асимметричные изменения в ходе развития.

«Этот новый метод отслеживания движущихся ядер в живой ткани помог прояснить роль их выравнивания в асимметричном формировании внутренних органов, — говорит старший автор Кенджи Мацуно. — Наши результаты могут быть применены для контроля формы регенеративных органов. Эти знания потенциально могут повлиять на будущие исследования регенерации органов, например, для выращивания искусственных органов для моделирования механизмов заболеваний».