Экспрессия, диффузия и молекулярные взаимодействия определяют распределение Wnt3

Междисциплинарная команда физиков и биологов из NUS охарактеризовала механизм, с помощью которого Wnt3 — ключевой регулятор нейрального паттернирования и развития мозга — распространяется на большие расстояния в развивающемся мозге рыбки данио.

Развитие многоклеточного организма требует коммуникации клеток для согласованного роста. Один из распространенных методов взаимодействия клеток во время эмбрионального развития — обмен сигнальными молекулами. Группа клеток, функционирующая как «источник», производит эти молекулы, которые секретируются во внеклеточное пространство и транспортируются к отдаленным «клеткам-мишеням». Там они связываются со специфичными поверхностными рецепторами и активируют каскад сигналов, регулируя жизненно важные клеточные процессы. Wnt — это класс сигнальных молекул, которые управляют ростом, функцией, спецификацией судьбы и гибелью клеток во время развития. В эндоплазматическом ретикулуме Wnt модифицируются добавлением липидных остатков — критический шаг для их секреции и активности. Однако эта модификация делает Wnt гидрофобными, что затрудняет их транспорт в водных внеклеточных пространствах. Поэтому механизм, с помощью которого Wnt осуществляют дальний транспорт, остается нерешенным вопросом.

Исследовательская группа под руководством профессора Торстена Воланда с факультетов биологических наук и химии NUS использовала методы визуализации и количественной флуоресценции, чтобы выяснить, как Wnt3 распространяется в развивающемся мозге рыбки данио для осуществления дальнодействующей сигнализации. Сначала команда показала, что Wnt3, меченный усиленным зеленым флуоресцентным белком (Wnt3EGFP) под контролем регуляторных последовательностей Wnt3, распространяется на значительное расстояние от клеток, которые его произвели. Затем команда использовала две техники характеристики — флуоресцентную корреляционную спектроскопию (FCS) и восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP) — для измерения подвижности Wnt3EGFP на разных пространственных масштабах.

FCS — это аналитическая техника, измеряющая диффузию флуоресцентных молекул путем мониторинга флуктуаций интенсивности флуоресценции, испускаемой молекулами в малом объеме наблюдения (фемтолитровый масштаб). FRAP измеряет восстановление интенсивности флуоресценции в необратимо фотообесцвеченной области (микрометровый масштаб). Команда показала, что локальная подвижность Wnt3, измеренная с помощью FCS, значительно выше, чем дальнодействующая подвижность, измеренная с помощью FRAP. Затем они продемонстрировали, что это несоответствие полностью объясняется взаимодействиями Wnt3EGFP с белками внеклеточного матрикса, а также связыванием с рецепторами и ко-рецепторами. Это сильно снижает дальнодействующую подвижность Wnt3 в мозге рыбки данио. В совокупности результаты исследования задают основу для будущего количественного изучения сети взаимодействий Wnt3 во время развития млекопитающих.

Профессор Воланд сказал: «Наша способность количественно измерять молекулярные взаимодействия и динамику внутри небольших живых организмов дает новое понимание процессов, управляющих развитием на молекулярном уровне».