По мере развития эмбриона клетки перемещаются, а ткани перестраиваются. Механические силы управляют этим морфогенезом. Однако до сих пор плохо понималось, как эти силы генерируются и интегрируются с другими сигналами.
В настоящем исследовании Гейзенберг и его группа изучали механические силы, которые действуют при развитии центральной нервной системы (ЦНС) рыбок данио. Нервный зачаток, предшественник нервной трубки, развивается из одного из трех зародышевых листков, нейроэктодермы. Однако два др. Зародышевых листка, мезодерма и энтодерма, как было установлено, являются критическими для правильного морфогенеза нейроэктодермы.
При развитии нервного зачатка зародышевые листки шарообразного зародыша движутся в противоположных направлениях. Мезодерма и энтодерма, также называемые вместе мезендодермой, перемещаются к одному полюсу эмбриона, так называемому полюсу животного, в то время как вышележащая нейроэктодерма скользит против них, чтобы перейти к противоположному полюсу, вегетативному полюсу.Гейзенберг и его группа обнаружили, что это движение важно для правильного позиционирования нервного зачатка.
Поскольку ткани скользят друг относительно друга, клетки нейроэктодермы, которые образуют нервный зачаток, изменяют направление своего движения. Они меняют путь и движутся к полюсу животного, в том же направлении, что и нижележащая мезендодерма. Исследователи обнаружили, что у эмбрионов, у которых отсутствует мезендодерма, эти клетки нейроэктодермы не переориентируются. Вместо этого все клетки нейроэктодермы перемещаются к вегетативному полюсу, и нервный зачаток располагается неправильно.
Когда клетки мезэндодермы движутся медленнее, чем обычно, нервный зачаток также оказывается в неправильном положении.Теперь, чтобы выяснить, каков основной механизм, исследователи построили теоретическую модель на основе своих наблюдений.
Моделируя силы, действующие в эмбрионе, они обнаружили, что движение нейроэктодермы по отношению к мезендодерме вызывает трение. Майкл Смутни объясняет, как возникает трение: «Когда ткани скользят друг о друга, возникает трение, подобное тому, как если бы вы трули воздушный шар о свитер. В случае эмбриона рыбок данио ткани контактируют друг с другом напрямую через E-кадгерин, a белок, выходящий из клеток.
Когда эти линкерные белки трутся друг о друга, между тканями возникает трение ».Ученые подтвердили важность E-кадгерина, перестроив систему в лаборатории: они культивировали слой клеток эктодермы в чашке и перемещали его в одном направлении, а шарик, покрытый E-кадгерином, — в противоположном направлении.
В результате клетки эктодермы переориентируются так же, как это наблюдается у эмбриона. Это открытие, что клетки мезэндодермы напрямую влияют на движение клеток нейроэктодермы посредством сил трения, впервые показывает, что трение является ключевым регулятором морфогенеза тканей у эмбрионов.Дефекты морфогенеза нейроэктодермы являются одними из наиболее частых врожденных дефектов у человека.
Открытие того, что силы трения, которые возникают на границе между формирующимися зародышевыми слоями, играют ключевую роль в морфогенезе нейроэктодермы, указывает на ранее нераспознанный механизм, который может лежать в основе этих врожденных дефектов.