Новый механизм формирования тканей животных
Международная группа исследователей из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка (MPI-CBG), кластера передового опыта «Физика жизни» (PoL) при Техническом университете Дрездена и Центра системной биологии Дрездена (CSBD) обнаружила механизм, с помощью которого ткани могут быть «запрограммированы» на переход из плоского состояния в трёхмерную форму.
Учёные исследовали развитие плодовой мушки Drosophila и её крылового диска (wing disk pouch), который изначально имеет форму мелкого купола, затем превращается в изогнутую складку и в итоге становится крылом взрослой мухи. Они разработали метод измерения трёхмерных изменений формы и анализа поведения клеток в этом процессе. Используя физическую модель, основанную на программировании формы, они выяснили, что движения и перестройки клеток играют ключевую роль в формировании ткани.
Исследование, опубликованное в Science Advances, показывает, что метод программирования формы может быть универсальным способом объяснения формирования тканей у животных.
Эпителиальные ткани — это слои плотно соединённых клеток, составляющие основу многих органов. Для создания функциональных органов ткани меняют свою трёхмерную форму. Хотя некоторые механизмы известны, их недостаточно для объяснения всего разнообразия форм тканей животных.
Например, в процессе развития крыла плодовой мушки (wing disk eversion) однослойная структура превращается в двуслойную. Как именно крыловой диск меняет форму с радиально-симметричного купола на изогнутую складку, было неизвестно.
Исследовательские группы Карла Модса (MPI-CBG, CSBD) и Натали Дай (PoL, ранее MPI-CBG) решили выяснить, как происходит это изменение формы.
«Для объяснения этого процесса мы вдохновлялись "программируемыми по форме" неживыми материалами, такими как тонкие гидрогели, которые могут превращаться в трёхмерные формы под действием внутренних напряжений», — объясняет Дай.
«Эти материалы могут контролируемо менять свою внутреннюю структуру по всей площади, чтобы создавать определённые трёхмерные формы. Эта концепция уже помогала нам понять рост растений. Однако ткани животных более динамичны: их клетки меняют форму, размер и положение».
Чтобы проверить, может ли программирование формы быть механизмом, объясняющим развитие животных, исследователи измерили изменения формы ткани и поведение клеток во время выворачивания крылового диска Drosophila.
«С помощью физической модели мы показали, что коллективное, запрограммированное поведение клеток достаточно для создания наблюдаемых изменений формы крылового диска. Это означает, что внешние силы со стороны окружающих тканей не нужны, а основной движущей силой изменения формы являются перестройки клеток», — говорит Яна Фурман, постдок в исследовательской группе Дай.
Чтобы подтвердить, что именно перестроенные клетки — главная причина выворачивания диска, учёные подавили движение клеток, что привело к нарушению процесса формирования ткани.
«Новые модели программируемости формы, которые мы разработали, связаны с различными типами поведения клеток. Эти модели включают как однородные, так и направленно-зависимые эффекты. В то время как предыдущие модели рассматривали только один тип эффекта за раз, наши модели объединяют оба типа и напрямую связывают их с поведением клеток», — объясняет Абхиджит Кришна, бывший докторант в группе Модса.
Дай и Модс подводят итог: «Мы обнаружили, что внутреннее напряжение, вызванное активным поведением клеток, формирует крыловой диск Drosophila во время выворачивания. Используя наш новый метод и теоретическую основу, заимствованную у программируемых материалов, мы смогли измерить клеточные паттерны на любой поверхности ткани. Эти инструменты помогают понять, как ткань животных меняет свою форму и размер в трёх измерениях.
В целом наша работа предполагает, что ранние механические сигналы помогают организовать поведение клеток, что впоследствии приводит к изменениям формы ткани. Наша работа иллюстрирует принципы, которые могут быть шире применены для лучшего понимания других процессов формирования тканей».