Трение формирует эмбрионы рыбок данио
Исходной точкой для человека — и для рыбки данио — является простой шар клеток. Однако к концу эмбрионального развития рыба и человек выглядят совершенно по-разному. Биохимические сигналы, участвующие в этом процессе, изучены подробно. А вот то, как механические силы формируют эмбрион, стало предметом исследования Карла-Филиппа Гейзенберга, профессора Института науки и технологий Австрии (IST Austria), и его группы, включая первого автора и постдока Майкла Смутни.
В своей работе, опубликованной в Nature Cell Biology, исследователи показывают, что трение между движущимися тканями генерирует силу. Эта сила формирует нервную систему эмбриона рыбки данио — популярной модели для изучения эмбрионального развития. "Мы показываем, что трение возникает, когда формирующиеся ткани скользят друг относительно друга, и что эта сила является ключевым механизмом регуляции морфогенеза в ходе развития эмбриона", — объясняет Карл-Филипп Гейзенберг.
По мере развития эмбриона клетки двигаются, и ткани перестраиваются. Этот морфогенез движется механическими силами. Однако до сих пор было плохо понятно, как эти силы генерируются и интегрируются с другими сигналами. В данном исследовании группа Гейзенберга изучала механические силы, действующие при развитии центральной нервной системы (ЦНС) у данио. Нервный зачаток, предшественник нервной трубки, развивается из одного из трёх зародышевых листков — нейроэктодермы. Однако было показано, что два других листка — мезодерма и энтодерма — также имеют решающее значение для правильного морфогенеза нейроэктодермы. При развитии нервного зачатка зародышевые листки шаровидного эмбриона движутся в противоположных направлениях. Мезодерма и энтодерма (вместе называемые мезентодермой) движутся к одному полюсу эмбриона (анимальному), в то время как покрывающая их нейроэктодерма скользит относительно них, перемещаясь к противоположному полюсу (вегетативному).
Группа Гейзенберга обнаружила, что это движение важно для правильного позиционирования нервного зачатка. По мере скольжения тканей клетки нейроэктодермы, которые сформируют нервный зачаток, меняют направление движения. Они переключаются и начинают двигаться к анимальному полюсу, в том же направлении, что и подлежащая мезентодерма. Исследователи обнаружили, что в эмбрионах, лишённых мезентодермы, эти клетки нейроэктодермы не переориентируются. Вместо этого все клетки нейроэктодермы движутся к вегетативному полюсу, и нервный зачаток занимает неправильное положение. Когда клетки мезентодермы движутся медленнее обычного, нервный зачаток также оказывается в неправильном месте.
Чтобы выяснить лежащий в основе механизм, исследователи построили теоретическую модель на основе своих наблюдений. Смоделировав силы, действующие в эмбрионе, они обнаружили, что движение нейроэктодермы относительно мезентодермы вызывает возникновение трения. Майкл Смутни объясняет, как возникает трение: "Когда ткани скользят друг относительно друга, возникает трение, подобно тому, как если потереть воздушный шар о свитер. В случае эмбриона данио ткани контактируют друг с другом напрямую через E-кадгерин — белок, выступающий из клеток. Когда эти связывающие белки трутся друг о друга, между тканями накапливается трение".
Учёные подтвердили важность E-кадгерина, воссоздав систему в лаборатории: они культивировали слой клеток эктодермы в чашке и двигали его в одном направлении, одновременно толкая в противоположном направлении бусину, покрытую E-кадгерином. В результате клетки эктодермы переориентировались так же, как и в эмбрионе. Это открытие — что клетки мезентодермы напрямую влияют на движение клеток нейроэктодермы посредством сил трения — впервые показывает, что трение является ключевым регулятором морфогенеза тканей в эмбрионе.
Дефекты морфогенеза нейроэктодермы — одни из самых распространённых врождённых пороков у человека. Обнаружение того, что силы трения, возникающие на границе формирующихся зародышевых листков, играют ключевую роль в морфогенезе нейроэктодермы, указывает на ранее нераспознанный механизм, который может лежать в основе этих врождённых дефектов.