Για τα κύτταρα του εμβρύου, το μέγεθος μπορεί να καθορίσει τη μοίρα

Το αναπτυσσόμενο έμβρυο είναι ένα μηχάνημα με λεπτομέρεια. Τα κύτταρά του ξέρουν τι να κάνουν και πότε να το κάνουν. Ξέρουν να μεγαλώνουν ή να συρρικνώνονται, να διαιρούνται ή να μένουν αδρανείς, να ενώνονται σε μια καρδιά που χτυπά ή να τρέχουν μέσα στην κυκλοφορία του αίματος αναζητώντας έναν μακρινό εισβολέα. Και ξέρουν να τα κάνουν όλα αυτά χωρίς έναν κεντρικό σταθμό διοίκησης ή έναν αντικειμενικό χάρτη του περιβάλλοντός τους για να τους καθοδηγήσει.

Αντίθετα, τα κύτταρα αφήνονται να επινοήσουν τις δικές τους στρατηγικές για τον ακριβή υπολογισμό του πού να πάνε και τι να γίνουν. Αυτοί οι υπολογισμοί εξαρτώνται από ένα πραγματικό κοκτέιλ σημάτων, μερικά από τα οποία έχουν από καιρό καθιερωθεί ως προφανώς σημαντικά - χημικές και ηλεκτρικές διαβαθμίσεις, η δραστηριότητα των γονιδιακών δικτύων, τα πρότυπα επικάλυψης μεταξύ των πεδίων εξάπλωσης των μορίων.

Αλλά πρόσφατα οι ειδικοί άρχισαν επίσης να δίνουν προσοχή σε ένα άλλο, συχνά παραβλέπεται σύνολο παραγόντων:φυσικούς περιορισμούς όπως το μέγεθος. Σε νέα εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Nature Physics , μια ομάδα ερευνητών ανέφερε ότι κατά την πρώιμη ανάπτυξη του στρογγυλού σκουληκιού Caenorhabditis elegans , ένας μηχανισμός που βασίζεται στο μέγεθος των εμβρυϊκών κυττάρων βοηθά στον προσδιορισμό του τύπου των ώριμων ιστών που τελικά θα παράγουν.

Κατά την εξέταση της βιοχημικής διαδικασίας που προκαλεί τη διαίρεση των κυττάρων είτε ασύμμετρα είτε συμμετρικά, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι το μέγεθος ήταν το κυρίαρχο στοιχείο - δηλαδή, ότι το μέγεθος των κυττάρων υπαγόρευε το μοτίβο που οδήγησε σε ένα είδος διαίρεσης και τελικά σε ένα είδος καταγωγής ή άλλο. «Η βιολογία εκμεταλλεύεται πραγματικά αυτό το γεγονός… για να δημιουργήσει ένα σύνολο αποτελεσμάτων που απαιτούνται για την ανάπτυξη του οργανισμού», είπε ο Μάρτιν Χάουαρντ, υπολογιστικός βιολόγος στο John Innes Center στην Αγγλία που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Σε αυτή την περίπτωση, τα κύτταρα χρησιμοποίησαν έμφυτους περιορισμούς στο μέγεθός τους για να καθορίσουν τη γενεαλογία που αργότερα θα δημιουργούσε τα σεξουαλικά κύτταρα του σκουληκιού. Ωστόσο, γενικότερα, τα ευρήματα υποδεικνύουν επίσης τη δυνατότητα ενός ρόλου για φυσικές ενδείξεις στη συμπεριφορά των βλαστοκυττάρων και στη λειτουργία άλλων αναπτυξιακών συστημάτων.

Διασπασμένες συμμετρίες

Όπως το σύμπαν γεννήθηκε από το σπάσιμο της συμμετρίας, έτσι και κάθε ένα από τα ζώα και τα φυτά που κατοικούν στη Γη. Κατά την πρώιμη εμβρυϊκή ανάπτυξη, τα κύτταρα υφίστανται τουλάχιστον μία ασύμμετρη διαίρεση και μερικές φορές περισσότερες:Παράγουν θυγατρικά κύτταρα που διαφέρουν ως προς το μέγεθος και τη μοίρα, θέτοντας τα θεμέλια για τις μεταγενέστερες προδιαγραφές διαφόρων διαφορετικών τύπων κυττάρων. Για να εδραιωθούν αυτές οι εκκολαπτόμενες σειρές και για να σταματήσουν να δημιουργούνται νέες, τα κελιά πρέπει στη συνέχεια να αλλάξουν ταχύτητα και να αρχίσουν να διαιρούνται συμμετρικά.

Για παράδειγμα, όταν το έμβρυο του σκουληκιού είναι ακόμα ένα μόνο κύτταρο, οι πρωτεΐνες στην εξωτερική του μεμβράνη δημιουργούν δύο άνισους τομείς που μοιάζουν με γιν και γιανγκ που λένε στο κύτταρο πού να χωριστεί. Αυτό το σύστημα για τον προσδιορισμό της ασύμμετρης κυτταρικής διαίρεσης ονομάζεται πολικότητα. Μία σειρά εμβρυϊκών κυττάρων σε C. elegans (γνωστή ως γενεαλογία P) χρησιμοποιεί πολικότητα για να διαιρέσει ασύμμετρα τέσσερις φορές. η πέμπτη διαίρεση είναι τότε συμμετρική, καθιερώνοντας μόνιμα τη βλαστική σειρά που είναι υπεύθυνη για τα κύτταρα του ωαρίου και του σπέρματος.

Αυτό το σύστημα πόλωσης μοιάζει με το μοντέλο του μοτίβου Turing για τους μηχανισμούς που μπορεί να καθοδηγούν το σχηματισμό κηλίδων ή λωρίδων. Μια κηλίδα μπορεί να σχηματιστεί σε μια λεοπάρδαλη, για παράδειγμα, επειδή ένα μόριο ενεργοποιητή διαχέεται μέσω του ιστού του δέρματος και διεγείρει την παραγωγή χρωστικής, ενώ ένα μόριο αναστολέα καταστέλλει τη μελάγχρωση στη γύρω περιοχή. Επομένως, το μέγεθος και η κατανομή των κηλίδων εξαρτάται από κινητικούς παράγοντες, όπως το πόσο γρήγορα διαχέεται κάθε ένα από τα μόρια.

Αυτό συμβαίνει και με την πολικότητα. Δύο πρωτεΐνες που αποκλείουν η μία την άλλη ενεργοποιούνται στην κυτταρική μεμβράνη στα αντίθετα άκρα του κυττάρου, έτσι ώστε όπου η μία είναι παρούσα, η άλλη δεν μπορεί να διαχέεται. Κινούνται με διαφορετικούς ρυθμούς και στο όριο μεταξύ των δύο ασύμμετρων περιοχών τους, το κελί διαιρείται. Η μία κόρη παραμένει μέλος της γενεαλογίας P, ενώ η άλλη προορίζεται για άλλη μοίρα. Όπως και με τα μοτίβα Turing, το σύστημα λειτουργεί επειδή επιτυγχάνει μια προσεκτική ισορροπία μεταξύ του μεγέθους του και του πόσο γρήγορα εξαπλώνονται οι πρωτεΐνες.

Ο Nathan Goehring, μοριακός βιολόγος στο Ινστιτούτο Francis Crick στο Λονδίνο, ήθελε να διερευνήσει αυτή την ισορροπία. Αυτός και οι συνάδελφοί του έπαιξαν με μοντέλα πόλωσης που είχαν δημοσιευτεί στο παρελθόν, δοκιμάζοντας τι θα συνέβαινε όταν έκαναν τα θεωρητικά τους κύτταρα μεγαλύτερα ή μικρότερα. Οι προσομοιώσεις τους έδειξαν ότι εάν ένα κύτταρο γινόταν πολύ μεγάλο, θα εμφανίζονταν περισσότεροι από δύο τομείς πρωτεΐνης, οδηγώντας σε απώλεια πολικότητας.

Ένα πιο ενδιαφέρον αποτέλεσμα ήταν ότι όταν το κύτταρο έγινε πολύ μικρό, κυριαρχούσε μόνο ένας τομέας, ο οποίος διαχέεται ομοιόμορφα σε όλη τη μεμβράνη. Και πάλι, η πολικότητα κατέρρευσε, αφήνοντας αυτή τη φορά τη συμμετρική διαίρεση ως μοναδική επιλογή. Η περιφέρεια κατωφλίου κελιού στην οποία συνέβη αυτό κυμάνθηκε γύρω στα 41 μικρά.

Στον Γκέρινγκ, αυτή η φιγούρα φαινόταν γνώριμη. Σε πρώιμο C. elegans έμβρυο, τα κύτταρα δεν αναπτύσσονται μεταξύ των διαιρέσεων, που σημαίνει ότι καθώς διαιρούνται, γίνονται όλο και μικρότερα. Και τα 41 μικρά ήταν εντυπωσιακά παρόμοια με το μέγεθος των τελευταίων κυττάρων που διαιρέθηκαν ασύμμετρα στη σειρά P. Μήπως οι κόρες αυτών των κυττάρων ήταν απλώς πολύ μικρές για να πολωθούν — αυτό το μέγεθος ήταν ο καθοριστικός παράγοντας για τη μετάβαση στη συμμετρική διαίρεση και τον προσδιορισμό της μοίρας τους;

Κλίμακες και χάρακες

Για να το ανακαλύψουν, οι επιστήμονες μέτρησαν τις κινητικές ιδιότητες μιας σημαντικής πολωτικής πρωτεΐνης σε φυσιολογικό C. elegans έμβρυα και σε έμβρυα των οποίων τα μεγέθη είχαν τροποποιήσει γενετικά. Όπως ήταν αναμενόμενο, ο ρυθμός διάχυσης της πρωτεΐνης και οι άλλες ποιότητες δεν άλλαξαν, ακόμη και όταν τα κύτταρα έγιναν μεγαλύτερα ή μικρότερα. Αντίθετα, το σύστημα σχεδίασης είχε τη δική του εσωτερική κλίμακα, που δεν προσαρμόστηκε στο συνολικό μέγεθος του κελιού.

Ελέγχοντας τα μεγέθη των αρχικών εμβρύων, η ομάδα μπόρεσε στη συνέχεια να δείξει ότι υπήρχε ένα ελάχιστο όριο μεγέθους για τα κύτταρα της σειράς P, κάτω από το οποίο δεν μπορούσαν να ρυθμίσουν το μοτίβο πόλωσης. Αυτά τα μικρότερα κύτταρα έχασαν την ικανότητα πόλωσης μετά από μόλις τρεις κυτταρικές διαιρέσεις, όχι τέσσερις. «Απλώς χειραγωγώντας το μέγεθος του εμβρύου, πήραμε ένα κύτταρο που κανονικά θα μπορούσε να πολωθεί και να διαιρείται ασύμμετρα και το μετατρέψαμε σε ένα κύτταρο που δεν πολώνεται και διαιρείται συμμετρικά», είπε ο Goehring.

Επιπλέον, μια μελέτη προηγούμενων ερευνών αποκάλυψε ότι δύο άλλα είδη σκουληκιών έχουν μια επιπλέον ασύμμετρη διαίρεση στη γενεαλογία P. Τα κύτταρα της γενεαλογίας P τείνουν να ξεκινούν μεγαλύτερα (και να παραμένουν μεγαλύτερα) από αυτά του πρώιμου C. elegans έμβρυο, σύμφωνα με τη θεωρία του Goehring. Το εάν ο ίδιος μηχανισμός λειτουργεί πραγματικά σε αυτά τα είδη μένει να δοκιμαστεί, αλλά δεν φαίνεται να είναι τυχαίο.

Τα κύτταρα έχουν φαινομενικά εξελιχθεί για να εκμεταλλεύονται τους εγγενείς περιορισμούς της διαδικασίας σχηματισμού τους - χρησιμοποιώντας το ως κανόνα - για να καθορίσουν εάν θα γίνουν γεννητικά κύτταρα. «Η προδιαγραφή [των γεννητικών κυττάρων] είναι ένα είδος αυτο-οργανωμένης ιδιότητας του συστήματος διαμόρφωσης προτύπων», είπε ο Χάουαρντ.

Και αυτός είναι ένας «πραγματικά ενδιαφέρον» τρόπος σκέψης για το σύστημα, είπε ο Timothy Saunders, βιοφυσικός στο Μηχανοβιολογικό Ινστιτούτο του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης που δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Αυτή η ιδέα, ότι απλά κάνοντας τα πράγματα μικρότερα, μπορείτε φυσικά να αλλάξετε τον τύπο της διαίρεσης, είναι πολύ προσεγμένη."

Μια νέα προοπτική

Αυτά τα ευρήματα έρχονται σε μια εποχή που οι επιστήμονες διευρύνουν την άποψή τους για το τι ελέγχει τα βιολογικά συστήματα ώστε να περιλαμβάνει περισσότερα από τη γενετική μόνο. «Το γονίδιο δεν υπάρχει στο κενό», είπε ο Σάντερς. "Και συνειδητοποιούμε όλο και περισσότερο ότι το μηχανικό περιβάλλον στο οποίο λειτουργούν αυτά τα γονίδια παίζει ρόλο" — συμπεριλαμβανομένων των αποφάσεων σχετικά με τη μοίρα των κυττάρων.

Οι ερευνητές έχουν βρει, για παράδειγμα, ότι τα καρκινικά κύτταρα ανταποκρίνονται στην ακαμψία του περιβάλλοντος ιστού και σε άλλους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Τα βλαστοκύτταρα, όταν υποβάλλονται σε ορισμένες φυσικές δυνάμεις, μπορούν επίσης να προκληθούν να αλλάξουν τη συμπεριφορά και τη μοίρα τους. Και τα αυτοοργανωμένα μοντέλα ιστών που ονομάζονται οργανοειδή δεν μπορούν να αναπτυχθούν σωστά σε ένα επίπεδο πιάτο. «Νομίζω ότι τα δεδομένα μας ταιριάζουν καλά σε αυτήν την ιδέα, ότι το φυσικό περιβάλλον έχει σημασία, ότι τα κύτταρα μετρούν αυτά τα πράγματα», είπε ο Goehring. "Σε αυτήν την περίπτωση… τα κελιά ανιχνεύουν το μέγεθος."

Ενώ αυτή η εργασία επικεντρώθηκε σε μια συγκεκριμένη κυτταρική γενεαλογία σε ένα συγκεκριμένο στάδιο ανάπτυξης σε ένα συγκεκριμένο είδος, «είναι κάτι που θα μπορούσε να έχει πιο γενική απήχηση», είπε ο Χάουαρντ. Το δίκτυο πολικότητας στη σειρά P διατηρείται έντονα μεταξύ των ζωικών ειδών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Αλλά επειδή τα κύτταρα θηλαστικών δεν διαθέτουν μια «ωραία καθαρή τοπολογία», θα είναι ιδιαίτερα δύσκολο να μελετηθεί, σύμφωνα με τον Saunders — αν και αναμένει ότι θα εξακολουθεί να είναι σχετικό σε αυτά τα συστήματα.

Άλλες διαδικασίες που περιλαμβάνουν τα κύτταρα που γίνονται μικρότερα με κάθε διαίρεση μπορεί επίσης να χρησιμοποιούν το μέγεθος για να λάβουν αποφάσεις σχετικά με τη μοίρα. Τα νευρικά βλαστοκύτταρα σε μύγες και ορισμένα φυτικά κύτταρα, για παράδειγμα, συρρικνώνονται με κάθε διαίρεση μέχρι να σταματήσουν να διαιρούνται εντελώς. "Αν και δεν γνωρίζουμε ότι υπάρχει ένας αυστηρός αισθητήρας μεγέθους σε οποιοδήποτε από αυτά τα συστήματα", είπε ο Goehring, "είναι κάπως συνεπής με αυτήν την ιδέα ότι μπορεί να υπάρχουν διακόπτες που εξαρτώνται από το μέγεθος στη μοίρα."

Το ίδιο ισχύει και για τα βλαστοκύτταρα στο έντερο των θηλαστικών, τα οποία διαιρούνται γρήγορα σε χωρικά περιορισμένες κρύπτες. Πρέπει να επιλέξουν πότε θα διαιρεθούν ασύμμετρα (σε ένα βλαστοκύτταρο και ένα εξειδικευμένο κύτταρο) ή συμμετρικά (είτε σε δύο βλαστοκύτταρα είτε σε δύο εξειδικευμένα κύτταρα. Αυτή η επιλογή είναι κρίσιμη για τη διατήρηση πληθυσμών βλαστοκυττάρων στον οργανισμό — και δεν είναι πάντα σαφές πώς γίνεται.

Ίσως το μέγεθος των κυττάρων να αποδειχθεί για άλλη μια φορά ότι παίζει ρόλο. "Νομίζω ότι αυτή η ιδέα είναι κάτι που θα είναι καθολικό", είπε ο Goehring.

Υπάρχουν ήδη υπαινιγμοί για αυτό. Τα κύτταρα φαίνεται να δημιουργούν συγκεκριμένους αριθμούς οργανιδίων, σε συγκεκριμένες αναλογίες, χρησιμοποιώντας το κυτταρόπλασμά τους ως μια περιοριστική δεξαμενή σταδιακά εξαντλημένων δομικών στοιχείων. Και σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Developmental Cell Τον Ιούνιο, μια ομάδα ερευνητών πρότεινε ένα μοντέλο για το πώς ενεργοποιείται το γονιδίωμα του εμβρύου μετά τη γονιμοποίηση. Σύμφωνα με τη δουλειά τους, αυτό συμβαίνει μόνο αφού τα κύτταρα φτάσουν σε ένα ορισμένο όριο μεγέθους:Καθώς το πρώιμο έμβρυο βατράχου διαιρείται, τα κύτταρά του γίνονται μικρότερα και έχει λιγότερο κυτταρόπλασμα σε σχέση με το DNA του. Καθώς η συγκέντρωση ενός συγκεκριμένου τύπου πρωτεΐνης συμπύκνωσης DNA μειώνεται, ελευθερώνει όλο και περισσότερο από το γονιδίωμα που πρόκειται να εκφραστεί, έως ότου τελικά ενεργοποιηθεί η μεταγραφή.

Φυσικά, σε όλη αυτή την εργασία, παραμένουν ερωτήματα, ιδιαίτερα σχετικά με το πώς τα συστήματα παραμένουν ανθεκτικά στις φυσικές διακυμάνσεις στο μέγεθος των κυττάρων και πώς το μέγεθος μπορεί να επηρεάσει τη διαφοροποίηση πολύ αργότερα στην ανάπτυξη. Ωστόσο, είπε ο Goehring, είναι πλέον σημαντικό να στραφούμε σε διαδικασίες "που ίσως δεν έχουμε εξετάσει επειδή δεν σκεφτήκαμε το μέγεθος."

«Χρειαζόμαστε αυτού του είδους τις θεωρητικές ιδέες για να ξεκλειδώσουμε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί [η λήψη αποφάσεων για τη μοίρα των κυττάρων]», είπε ο Χάουαρντ.