Ученые рассказали, как синхронизируются клетки эмбриона

Ученым известно, что когда эмбрион мыши развивается, клетки, которые станут его позвоночником и мышцами, постоянно синхронно включают и выключают определенные гены. Однако существуют глубокие загадки о том, как эти клетки синхронизируются. Исследователи FMI разработали математическую модель, которая не только лучше объясняет, как возникает спонтанная синхронизация в развивающемся эмбрионе мыши, но также может дать некоторые фундаментальные сведения о том, как синхронизируются другие биологические системы.

От мигания светлячков до аплодисментов публики, сливающихся в такт, до синхронно срабатывающих нейронов — жизнь предлагает множество примеров спонтанной синхронизации между популяциями. В развивающихся мышиных эмбрионах, например, синхронные волны паттернов экспрессии генов через клетки управляют формированием тканевых сегментов, которые затем развиваются в позвонки и скелетные мышцы. Хотя современная модель синхронных систем уловила основной механизм, лежащий в основе этого процесса, она не может объяснить, какой информацией обмениваются клетки и что клетки делают с полученной информацией.

Ученые предложили несколько возможностей: одна клетка может замедлить волну экспрессии генов, а другая — ускорить ее, так что в конечном итоге их циклы экспрессии генов совпадут. Но исследователи под руководством Харисиоса Циайриса обнаружили, что в игру вступает другой механизм. Команда обнаружила, что одна клетка посылает молекулярный сигнал, который «говорит» другой клетке приостановить цикл экспрессии генов до тех пор, пока посылающая сигнал клетка не достигнет той же стадии цикла. Как только клетка, посылающая сигнал, догоняет, две клетки начинают синхронно активировать гены.

Молекулярным сигналом, который позволяет клеткам общаться, является Notch, консервативный белок, который охватывает клеточную мембрану и регулирует многие процессы, включая пролиферацию и гибель клеток. Notch передает сигналы снаружи внутрь соседней клетки, взаимодействуя с другим белком, называемым Delta, который расположен на поверхности соседней клетки.

Ячейки, у которых есть Delta, только отправляют информацию, а те, у которых есть Notch, только получают ее. Это как два человека, использующие рацию: когда один отправляет сообщение, другой может его получить, но не может одновременно отправить какую-либо информацию. Наша модель говорит нам, что если вы хотите синхронизировать клетки, вы должны играть с импульсами передачи сигналов Notch,

говорит Циарис.

Полученные данные могут не только помочь ученым манипулировать синхронизацией клеток в развивающихся эмбрионах, но также могут дать некоторые фундаментальные сведения о том, как другие биологические системы, такие как нейронные сети, синхронизируются, открывая множество возможностей для исследований и медицины.