Механическое происхождение узора перьев в коже птиц

Эластичность кожи, подобная резине, которая сжимается до исходной формы после растяжения, является ключевым фактором для развития равномерно расположенных волос и потовых желез в процессе эмбриогенеза. К такому выводу пришли исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, изучая формирование перьев у куриных эмбрионов.

Результаты работы, опубликованные 13 июля в журнале Science, могут помочь в выращивании искусственной кожи для трансплантатов, которая будет иметь естественные структуры — волосяные фолликулы и поры. Оказалось, что правильное натяжение растущей кожи может само по себе организовать эти структуры, без добавления химических триггеров.

Это первое исследование, связывающее механическое взаимодействие клеток в растущем организме с активацией специфических генов, которые заставляют клетки дифференцироваться. Например, обычная клетка кожи превращается в специализированную клетку фолликула и, в конечном итоге, в перо.

Ключевой вывод: Узор фолликулов не закодирован напрямую в геноме. Нет конкретного генетического «плана», предписывающего, какая клетка станет фолликулом. Вместо этого однородные клетки дермы (внутреннего слоя кожи) начинают тянуть друг друга, образуя скопления. Эти скопления сжимают клетки вышележащего эпидермиса, что запускает генетическую программу образования фолликула.

Роль механического сопротивления

Ученые выращивали кожу 7-дневных куриных эмбрионов на искусственных субстратах разной жесткости, имитирующих ткани под кожей птицы.

• При оптимальной жесткости субстрата клетки дермы могли активно тянуться, но встречали сопротивление. Это приводило к образованию множества равномерно расположенных скоплений клеток и, как следствие, к упорядоченному массиву фолликулов.
• Если субстрат был слишком жестким или слишком мягким, клетки дермы свободно стягивались в одно большое скопление, что приводило к формированию всего одного фолликула.

«Фундаментальное напряжение между стремлением клеток сгруппироваться и сопротивлением их границ позволяет создавать пространственно упорядоченные узоры», — поясняют авторы.

Чем жестче был материал в оптимальном диапазоне, тем плотнее располагались фолликулы. Это может объяснять разное расположение перьев на разных частях тела курицы.

Молекулярный переключатель

Исследователи также обнаружили молекулярный механизм, связывающий механическое воздействие с генетической программой. Сжатие клеток эпидермиса скоплениями дермы заставляет белок бета-катенин переместиться с клеточной мембраны в ядро. В ядре он действует как переключатель, запуская генетическую программу дифференцировки в фолликул.

Значение и перспективы

Исследование проводилось на стадии развития эмбриона, общей для многих животных (аналог ~1 месяца гестации у человека). Это говорит о том, что выявленные принципы могут быть универсальными.

Для тканевой инженерии это открывает новые пути: «Эмбрионы уже решили, как достичь правильной судьбы клеток и правильной архитектуры одновременно. Мы представляем принципы проектирования, которые использует эмбрион. Их можно применить, чтобы переосмыслить подход к выращиванию тканей в чашке Петри, учитывая совместную работу механики и решений о судьбе клеток».