Чтобы соединить разные участки нервной системы, нейроны во время роста выпускают длинные отростки — аксоны, которые тянутся через ткани, находя свой путь по химическим сигналам. Но ученые выяснили, что направление роста аксонов определяет не только химия, но и физика: жесткость и упругость самой ткани мозга.
Специалисты из Германии и Великобритании под руководством профессора Кристиана Франце обнаружили, что механические свойства мозга напрямую контролируют выработку сигнальных молекул, управляющих ростом нервных клеток. Установлено, что ключевую роль в этом играет белок Piezo1 — он реагирует на давление и растяжение, превращая механические сигналы в биохимические. Повышение упругости ткани активирует гены, отвечающие за работу сигнальных молекул, например, семафорина 3A, которые направляют рост нервных клеток.
Ученые использовали модель развития мозга африканской шпорцевой лягушки (Xenopus laevis), это животное — один из классических объектов для эмбриологических исследований. Они помещали участки развивающегося мозга в гель с разной плотностью и наблюдали, что в более жесткой среде активно включались гены сигнальных белков. Этот эффект усиливался, если мягкие ткани мозга слегка сжимали, имитируя таким образом естественные механические нагрузки, возникающие при росте мозга. Но при снижении уровня Piezo1 эффект исчезал, и структура тканей становилась менее устойчивой.
«Мы не ожидали, что Piezo1 будет действовать одновременно как датчик силы и как скульптор химического ландшафта мозга, — говорит соавтор работы Ева Пиллаи. — Он не только обнаруживает механические силы — он помогает формировать химические сигналы, направляющие рост нейронов. Такая связь между физическим и химическим мирами мозга заставляет нас совершенно по-новому взглянуть на его развитие».
Исследование показало, что Piezo1 выполняет двойную функцию. Он не только переводит механические сигналы в клеточные ответы, но и помогает структурировать саму механическую среду. При снижении уровня этого белка уменьшается количество молекул клеточной адгезии — своеобразного «клея», который удерживает клетки вместе. Это влияет на стабильность ткани, которая, в свою очередь, определяет химическое окружение.
«Piezo1 не просто помогает нейронам ощущать свое окружение — он помогает его строить, — отмечает соавтор исследования Судипта Мукерджи. — Регулируя уровень белков адгезии, Piezo1 поддерживает связи между клетками, что необходимо для стабильной архитектуры ткани».
Открытие имеет широкие последствия для биологии развития и медицины. Ученым уже известно, что неправильный рост нейронов связан с врожденными и нейродегенеративными расстройствами, а жесткость тканей играет роль в прогрессировании рака.
Ранее мы рассказывали о том, как и зачем ученые выращивают компьютеры из клеток человеческого мозга.
