На примере развития сердечной трубки плодовой мушки (дрозофилы) ученые разработали модель, объясняющую, как клетки при формировании органов или заживлении ран выстраиваются в строго упорядоченные цепочки.
Этапы формирования сердца эмбриона дрозофилы: голубым цветом отмечены два удаленных друг от друга участка (крайний слева). Их последующая миграция приводит к созданию трубки и образованию первой структуры сердца (крайняя справа). Точное расположение и сопряжение клеток имеют решающее значение для правильного развития органа / © Thamarailingam Athilingam and Kate McDole
Чтобы сформировать ткани или избавиться от повреждений, клетки должны контактировать только с «правильными» соседями. Например, на ранних этапах формирования зародыша дрозофилы в его сердце две параллельные линии клеток сходятся к средней, создавая идеальную «пару» и образовывая трубку для перекачивания жидкости.
Но поскольку в этой живой системе всегда присутствуют вариации в размерах клеток и биологический «шум», их почти безукоризненная сборка поразительна: ошибки в столь сложном процессе могут привести к дефектам органов, а у более сложных организмов — к развитию заболеваний сердца.
Чтобы понять, как именно клетки «узнают» друг друга и совмещаются без путаницы, международная исследовательская группа из Уорикского университета (Великобритания) и Национального университета Сингапура разработала новую модель, объясняющую точную клеточную стыковку без сложных миграций или перестроек на примере развития сердечной трубки у дрозофилы. Результаты исследования опубликованы в журнале Biophysical Journal.
Поясним: на ранних этапах развития в сердце дрозофилы каждый тип клеток имеет свою силу «прилипания» (адгезию). Объединив в одной схеме упругость (или жесткость) — параметр, который показывает, насколько сложно деформировать клетку относительно ее «предпочтительного» размера — и адгезию, ученые обнаружили, что различия в «прилипании» объясняют точную клеточную стыковку.
Значит, если различия достаточно велики, клетки распределяются таким образом, чтобы образовать наиболее «выгодные» контакты. Беспорядочное выстраивание клеток при этом наблюдалось, когда все они были одного типа. Затем ученые сравнили разработанную модель с данными лабораторных экспериментов и подтвердили результаты.
Таким образом, различия в прилипании клеток оказались способны «вытягивать» даже большие системы в правильное положение, а ключевым фактором успешного поиска подходящей клеточной пары стал оптимальный диапазон упругости клетки: чем выше жесткость, тем больше энергетических затрат требовалось, чтобы изменить ее форму.
Авторы научной работы отметили, что их модель может пригодиться в объяснении других случаев точного «сопряжения» клеток. Поскольку сочетание упругости и адгезии универсально, то должно работать не только при развитии сердца, но и, к примеру, при заживлении ран или образовании нейронных связей.
