Учёные раскрыли простой механизм ветвления тканей
В год столетия публикации трактата Д'Арси Томпсона «О росте и форме» физик из Кембриджа возглавил исследование, предлагающее элегантное решение давней биологической загадки: как возникают сложные ветвящиеся структуры в тканях.
Ветвление встречается повсюду в природе — от деревьев и папоротников до кораллов, а также на микроуровне, где оно необходимо для эффективного обмена газами и жидкостями с окружающей средой за счёт максимизации площади поверхности.
Например, в тонком кишечнике эпителиальная ткань образует пальцевидные ворсинки. В других органах — почках, лёгких, молочных железах, поджелудочной и предстательной железах — обменные поверхности плотно упакованы вокруг сложных разветвлённых эпителиальных структур.
Профессор Бен Саймонс из Кембриджского университета, руководивший исследованием, опубликованным в журнале Cell, отмечает, что вопрос о том, как растут эти структуры (содержащие до 30–40 поколений ветвлений), кажется невероятно сложным.
Классическая проблема «ветвящегося морфогенеза» интересовала учёных и математиков веками. Математические основы морфогенеза — биологического процесса, определяющего форму организмов, — были предметом классического текста Д'Арси Томпсона, опубликованного в 1917 году.
Во время развития ветвящиеся структуры формируются стволовыми клетками, которые запускают процесс роста и деления (или «бифуркации») протоков. Каждая новая ветвь либо прекращает рост, либо продолжает ветвиться. В исследовании, опубликованном ранее в Nature, профессор Саймонс и его коллеги показали, что в молочной железе эти процессы деления и остановки происходят случайно, но с почти равной вероятностью.
Профессор Саймонс и его коллега доктор Эдуар Ханнезо заметили, что ветви почти не пересекаются — протоки растут, заполняя пространство, но не накладываются друг на друга. Это привело их к гипотезе, что протоки растут и делятся, но как только кончик (тип) касается другой ветви, он останавливается.
Доктор Ханнезо поясняет, что таким образом формируется идеально заполняющая пространство сеть с наблюдаемой статистической организацией, благодаря простейшему локальному правилу: ветвись и останавливайся, когда встречаешь созревший проток. Это указывает на самоорганизующийся процесс развития сложных разветвлённых эпителиальных структур, основанный на простом универсальном правиле, без жёсткой генетически запрограммированной последовательности событий.
Хотя наблюдения были сделаны на эпителии молочной железы, используя первичные данные других исследователей, учёные показали, что те же правила управляют эмбриональным развитием почки и поджелудочной железы мыши, а также человеческой простаты.
Профессор Саймонс отмечает, что модель эстетически красива, поскольку правила просты, но способны предсказать сложные ветвящиеся паттерны.
Открытие может дать представление о развитии рака молочной железы и поджелудочной железы, где на ранних стадиях часто наблюдается нерегулярная, запутанная организация, напоминающая протоки.
Профессор Саймонс добавляет, что спустя век после публикации «О росте и форме» концепции самоорганизации и возникновения продолжают предлагать новые перспективы для понимания развития биологических систем.
Хотя пока рано говорить, применимы ли аналогичные правила к другим ветвящимся тканям и организмам, есть интересные параллели: например, ветвление деревьев, по-видимому, следует похожей схеме — боковые ветви растут и делятся, пока их не затенят или не закроют другие ветви.
Исследование финансировалось Wellcome Trust при дополнительной поддержке Cancer Research UK и Medical Research Council.