Учёные выяснили, как клетки эмбриона «слышат» друг друга для формирования тела

Эмбрионы самоорганизуются благодаря скрытой симфонии микроскопических взаимодействий, где клетки «слышат» соседей и двигаются в унисон. Фото: Shutterstock

Как и все сложные организмы, человек начинается с одной клетки, которая многократно делится. Тысячи клеток координируются, двигаются и оказывают механическое воздействие друг на друга, формируя эмбрион. Исследователи из Института динамики биологических сетей (CIDBN) в Гёттингене, Института динамики и самоорганизации Макса Планка и Университета Марбурга обнаружили новый способ координации поведения эмбриональных клеток. Оказалось, что в этом процессе задействованы молекулярные механизмы, ранее известные только в слуховой системе. Учёные связывают использование одних и тех же белков в столь разных функциях с их эволюционным происхождением. Результаты исследования опубликованы в журнале Current Biology.

Междисциплинарная команда применила необычное сочетание методов из генетики развития, нейробиологии, аудиологии и теоретической физики, чтобы раскрыть неожиданный аспект клеточной коммуникации. Оказалось, что в тонких слоях кожи клетки регистрируют движения соседних клеток и синхронизируют с ними свои собственные микродвижения. Благодаря этому группы клеток действуют согласованно, создавая более сильное механическое воздействие. Высокая чувствительность позволяет клеткам быстро и гибко координироваться — эти слабые силы являются самыми быстрыми сигналами, распространяющимися по эмбриональной ткани. Когда у клеток генетически «отключали» способность «слышать» друг друга, развитие ткани замедлялось или вовсе прекращалось.

«С помощью методов ИИ и компьютерного анализа мы смогли изучить примерно в сто раз больше пар клеток, чем это было возможно ранее в данной области», — объясняет доктор Маттиас Херинг, руководитель группы в CIDBN и соавтор исследования. «Такой анализ больших данных обеспечивает высокую точность, необходимую для достоверного изучения этих тонких взаимодействий между клетками».

Компьютерные модели показали, что «шёпот» между соседними клетками приводит к сложной хореографии всей ткани и защищает её от внешних воздействий. Эти эффекты подтвердились видеозаписями эмбрионального развития и дополнительными экспериментами.

Механизмы, обнаруженные в эмбриогенезе, ранее были известны только в слуховой системе. Например, волосковые клетки внутреннего уха, преобразующие звуковые волны в нервные сигналы, реагируют на микроскопические движения. На пороге слышимости их выступы изгибаются на расстояния всего в несколько атомных диаметров. Такая чувствительность возможна благодаря специальным белкам, преобразующим механические силы в электрические сигналы. До сих пор почти никто не предполагал, что подобные сенсоры играют важную роль и в эмбриональном развитии. В принципе, это возможно, поскольку каждая клетка тела содержит генетические «инструкции» для всех белков и может использовать их по мере необходимости.

«Эволюционное происхождение этих чувствительных к силе ионных каналов, вероятно, лежит в наших одноклеточных предках, общих с грибами и появившихся задолго до возникновения животных», — поясняет профессор Фред Вольф, директор CIDBN. «Но только с эволюцией первых животных возникло современное разнообразие этого типа белков».

Дальнейшие исследования должны определить, была ли изначальная функция этих клеточных «наномашин» воспринимать силы внутри организма, а не внешний мир, как в случае слуха.

Источники:

Материалы предоставлены Гёттингенским университетом. Примечание: содержание может быть отредактировано для стиля и длины.