Глубоко исследуя генетику и биологию на самых ранних этапах эмбрионального развития, исследователи из Медицинского центра детской больницы Цинциннати сообщают 26 марта в Nature Communications, что они нашли новые ключи к разгадке одной из самых больших загадок природы. Их данные, полученные на плодовых мушках, показывают, что размер и точность формирования рисунка эмбриона зависят от количества репродуктивных ресурсов, которые матери вкладывают в процесс до того, как яйцеклетка покинет яичник.«Один из самых интригующих вопросов в развитии животных — это то, что называется масштабированием, или пропорциональностью различных частей тела», — сказал Джун Ма, доктор философии, старший автор и ученый из отделов биомедицинской информатики и биологии развития. «Есть ли у вас слон или мышь, по какой-то причине размеры их органов и тканей обычно пропорциональны общему размеру тела.
Мы хотим понять, как вы получаете эту пропорциональность».Чтобы решить извечную и очень сложную проблему, Ма и его коллеги изучают плодовых мух (Drosophila) — одну из простейших форм жизни животных.Почему муха? Ма объясняет, что это позволяет ученым исследовать вопрос о пропорциональном размере у сравнительно простых животных, чтобы изучить фундаментальные принципы.
Это дает знания и математические модели, которые позволяют исследователям задавать одни и те же вопросы более развитым формам жизни, таким как млекопитающие и люди. В конечном счете, это может помочь понять коренные причины развития некоторых врожденных дефектов.Ученые начинают с того момента, когда мать-плодовая муха использует генетические и биологические ресурсы в яичнике, чтобы начать формирование яиц своего будущего выводка и проследить это до развития своих эмбрионов.
Они сочетают математическое моделирование явления с тестированием в лаборатории в поисках полной картины. Этот процесс требует большого количества экспериментальных измерений и хорошо оборудованного помещения для мух.В своем текущем исследовании Ма и его коллеги разрабатывают модель, которая позволяет им измерять и математически связывать основные части этой картины развития. Они называют это TEMS, что означает масштабирование материнского морфогена, модулируемое расширением тканей.
Морфоген — это белок, который формирует градиент концентрации вдоль развивающейся оси эмбриона (например, от передней части к задней) и инструктирует гены производить свои продукты в определенных частях эмбриона. Эти генные продукты будут контролировать формирование различных частей тела животного.
У плодовой мушки ген под названием bicoid производит градиент морфогенов и помогает управлять шоу. Пропорциональная калибровка эмбрионов мух может происходить до, во время или после того, как все клетки начали формироваться в определенных тканях или органах.
В статье Nature Communications рассматривается пропорциональное масштабирование эмбриона спереди назад, которое происходит до того, как начинают формироваться отдельные органы.Ученые сообщают, что размер эмбрионов плодовой мухи зависит от количества начального разрастания ткани в яичнике матери — в частности, от роста и размера яйцеклетки яичника и увеличения числа копий бикоидного гена.
Это помогает решить, насколько крупными станут 15 питательных клеток яичников мухи и сколько дубликатов копий генома и мРНК клеток мухи они будут содержать. Этот кладезь ресурсов для развития переносится в ооцит, который станет будущей яйцеклеткой.Модель TEMS позволяет исследователям количественно оценить общий размер биологических вложений материнской мухи в этот процесс.
Это также помогает предсказать, как эти инвестиции будут определять силу и устойчивость градиента бикоидных морфогенов, который контролирует пропорцию частей тела у ее потомства. Короче говоря, более крупные вложения означают большую прибыль в виде более крупных эмбрионов, которые образуют пропорциональные части тела.При подсчете максимального количества копий бикоидного гена в питательных клетках материнской мухи ученые были заинтригованы тем, как эти цифры напоминают максимальное количество ядер клеток в бластодерме потомства (зародыш на ранней стадии).
Это открытие оставляет исследователям новые вопросы, которые предстоит разгадать, например, о его фундаментальном значении и о том, насколько взаимосвязь между биологическими вложениями матери и тем, как развиваются ее эмбрионы, зависит от более широких принципов эволюции.В конце концов Ма и его коллеги заявили, что хотят разработать единые представления на системном уровне для понимания, количественной оценки и прогнозирования того, как формы жизни возникают так, как они появляются.
Их цель состоит в том, чтобы эти новые знания в конечном итоге можно было применить на благо людей, как больших, так и маленьких.