На ранних этапах эмбрионального развития разрозненные клетки постепенно формируют упорядоченные структуры. Долгое время считалось, что ключевую роль здесь играет простое уплотнение: клетки сближаются, ткань становится плотнее и фиксируется в устойчивом состоянии.
Новое исследование пересматривает это представление. Оказалось, что главным регулятором выступает не плотность, а сила сцепления между соседними клетками. При превышении определенного порога адгезии клетки начинают организовываться в ткань еще до изменения плотности упаковки. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
Традиционная биология рассматривала раннее развитие как реализацию генетической программы, заложенной в яйцеклетке. Николетта И. Петриду, руководитель группы Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге, Германия, отмечает пробел в таком подходе.
Яйцеклетка действительно содержит набор генетических инструкций, однако их реализация происходит в физической среде, где клетки контактируют и соединяются друг с другом.
По словам Петриду, выполнение этой программы не ограничивается молекулярными процессами.
В центре исследования оказалась клеточная адгезия — сила сцепления между клетками. Ученые поставили вопрос: выполняет ли она только механическую функцию удержания ткани или влияет на будущую организацию структуры.
Для наблюдений использовали эмбрионы рыбок данио. Они прозрачны, что позволяет отслеживать поведение отдельных клеток. На раннем этапе эмбрион представляет собой скопление одинаковых неспециализированных клеток.
За несколько часов эта масса проходит перестройку: клетки разделяются на слои и начинают выполнять разные функции. Так запускается морфогенез — процесс формирования тела с различными структурами. Исследователи сосредоточились именно на этом этапе.
Ранее было известно, что эмбриональная ткань может переходить между жидким и твердым состоянием. Эти переходы играют важную роль в формировании организма, например при растяжении тела вдоль оси развития.
Однако точные факторы, определяющие состояние ткани, оставались неясными. Основными кандидатами считались плотность клеточной упаковки и сила их сцепления, которые изменяются одновременно и трудно разделяются.
В предыдущих работах группы Петриду показано, что эмбрион рыбы проходит критическую точку, переходя из твердого состояния в жидкое и обратно. Ткань моделировалась как сеть связанных клеток, демонстрирующая эффект «заклинивания».
В новом исследовании адгезию рассматривали как независимую переменную. Предполагалось, что именно она может запускать переход состояния ткани сама по себе.
Исследователи нашли два способа изменить плотность упаковки, не затрагивая сцепление. В одном случае жидкость между клетками уходила, дополнительно сжимая структуру.
В других образцах, выращенных отдельно как фрагменты, накапливалась лишняя жидкость, из-за чего клетки раздвигались.
Сильно сжатые эмбрионы сохраняли подвижность и способность к перестройке. Рыхлые фрагменты оставались почти неподвижными. Плотность почти не влияла на показания измерений. Основной контроль осуществляло сцепление клеток.
Для оценки механических свойств ткани использовали вакуумную пипетку, фиксируя движение жидкости в ответ на воздействие.
До этого момента не удавалось четко разделить влияние плотности и «липкости» клеток. В этих опытах адгезия выступила главным управляющим фактором.
Далее наблюдался неожиданный эффект. Усиление сцепления в рыхлой ткани приводило не к остановке движения, а к перестройке структуры в организованный слой.
Внутри формировались заполненные жидкостью полости. Клетки, выстилающие их, перераспределялись и переносили специализированные белки на поверхность, обращенную к этим полостям.
Такая организация характерна для эпителиальной ткани, включая структуры, выстилающие кишечник.
Частично это объяснялось тем, что три клетки соединялись, перекрывая промежутки и закрывая поры, через которые проходила жидкость. При слабом сцеплении эти промежутки сохранялись, при усиленном — закрывались резко.
Примечательно, что изменения происходили без генетических модификаций или новых химических сигналов. Единственным фактором становилось усиление сцепления между клетками, которое само запускало формирование структуры.
Для управления этим процессом исследователи применили светочувствительные инструменты, позволяющие усиливать или ослаблять сцепление под действием света.
В одном эксперименте освещали половину эмбриона. На освещенной стороне разрушался белок соединения, и сцепление ослабевало, тогда как другая половина оставалась неизменной.
Комбинируя световое воздействие и изменение состава окружающей жидкости, удалось переводить ткани в разные состояния — от плотных до рыхлых, от жидких до твердых. Генетически идентичные эмбрионы демонстрировали различия только на физическом уровне.
Картина развития стала более определенной. Состояние ткани влияет на ее формирование, а решающим параметром выступает межклеточное взаимодействие. При превышении порогового значения сцепления начинается самоорганизация структуры.
Подобные переходы наблюдаются не только в эмбрионах рыб. Аналогичные процессы фиксируются при распространении раковых клеток, когда они ослабляют сцепление, а также в лабораторных экспериментах по выращиванию тканей. Адгезия рассматривается как потенциальный инструмент управления этими процессами.
Параллельно исследователи изучают влияние уплотнения на химическую сигнализацию. Обнаружено, что усиление сцепления подавляет сигналы, определяющие направление развития клеток. Физические и химические механизмы совместно задают ранние этапы формирования организма.
