Ученые из Австрийского института науки и технологии (ISTA) продемонстрировали, что эмбрион имеет форму «крючка» не только внешне, но и функционально. Именно кривизна зиготы (оплодотворенной клетки) работает как своего рода инструкция для координированного деления клеток и запуска генов, обеспечивая правильное развитие зародыша. Исследование опубликовано в престижном рецензируемом журнале Nature Physics.
Команда исследователей, работавшая под руководством Нихила Мишры, использовала икру рыбок Danio rerio — прозрачные эмбрионы, удобные для наблюдений в реальном времени. В ходе экспериментов ученые выявили, что кривизна раннего эмбриона определяет последовательность и скорость деления клеток, что в итоге влияет на то, где и когда активируются определенные гены.
Первые деления клеток зародыша происходят очень быстро и без специализации клеток, но вскоре возникают различия: одни клетки начинают активировать одни гены, другие — иные, появляется дифференциация размеров и расположения. Двусторонняя симметрия в одних проекциях и асимметрия в других закладывают основу будущей структуры тела.
Ученые выявили, что матрица геометрических свойств эмбриона запускает волны деления — клетки делятся не одновременно, а поочередно, в стадийной волне, где внутренние «часы» каждого участка отсчитывают момент митоза в зависимости от размера клетки и ее места в системе.
Манипуляции с кривизной зиготы приводили к изменению схемы деления: например, возникали две волны митоза вместо одной, что подтверждает роль геометрии клеточной структуры как фактора ее развития.
Перспективы для медицины и ЭКО
Авторы считают, что такие принципы могут быть присущи не только рыбам, но и млекопитающим, включая людей. Сегодня менее половины эмбрионов, созданных в рамках экстракорпорального оплодотворения (ЭКО), достигают стадии, пригодной для имплантации, и одна из причин — нарушения в процессе ранних делений и активации генов.
Если геометрические признаки эмбриона действительно влияют на его жизнеспособность, это может привести к новым маркерам оценки эмбрионов и повысить точность прогнозов успеха ЭКО путем раннего выявления «геометрических сигналов тревоги».
Геометрия влияет на клетки и вне эмбриогенеза: исследования показывают, что клетки способны распознавать кривизну поверхности и менять способ миграции в зависимости от формы окружающей поверхности — от этого зависит развитие тканей и регенерация органов.
Некоторые современные модели развития эмбриона рассматривают механизмы самоорганизации, где взаимодействия клеток ведут к формированию сложных структур без внешнего управления — подобно стаям птиц или косякам рыб.
Недавно ученые выяснили, что присутствующие в геноме млекопитающих и считавшиеся бесполезным мусором реликтовые вирусные ДНК — вовсе не мусор. Возможно, именно они задают программу развития эмбриона на стадии тотипотентных и плюрипотентных клеток.
