Τα εμβρυϊκά κύτταρα ορίζουν πρότυπα ανάπτυξης με ώθηση και τράβηγμα

Ένα από τα πιο μακροχρόνια ερωτήματα στη βιολογία είναι πώς ένα ζωντανό πράγμα που ξεκινά ως μια εμβρυϊκή σταγόνα ομοιόμορφων κυττάρων μεταμορφώνεται με την πάροδο του χρόνου σε έναν οργανισμό με διαφορετικούς ιστούς, ο καθένας με το δικό του μοναδικό πρότυπο και χαρακτηριστικά. Η απάντηση θα εξηγούσε πώς μια λεοπάρδαλη αποκτά τις κηλίδες της, μια ζέβρα παίρνει τις ρίγες της, τα δέντρα αποκτούν τα κλαδιά τους και πολλά άλλα μυστήρια ανάπτυξης προτύπων στη βιολογία. Για περισσότερο από μισό αιώνα, η προτιμώμενη εξήγηση ήταν ένα κομψό μοντέλο βασισμένο στη χημική σηματοδότηση που προτάθηκε από τον μαθηματικό Άλαν Τούρινγκ, το οποίο είχε πολλές επιτυχίες.

Αλλά ένας αυξανόμενος αριθμός επιστημόνων υποψιάζεται ότι η θεωρία του Turing είναι μόνο ένα μέρος της ιστορίας. «Κατά τη γνώμη μου, έχουμε τυφλωθεί για το πόσο ευρέως θα έπρεπε να εφαρμόζεται απλώς και μόνο λόγω της ομορφιάς του», δήλωσε η Amy Shyer, αναπτυξιακή βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Rockefeller. Κατά την άποψή της, οι φυσικές δυνάμεις συστολής και συμπίεσης που δρουν στα κύτταρα καθώς μεγαλώνουν και διαιρούνται θα μπορούσαν επίσης να παίξουν κεντρικό ρόλο.

Και τώρα έχει αποδείξεις για αυτό. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Cell Τον Μάιο, η Shyer, ο συνεργάτης της συγγραφέας και συνεργάτης αναπτυξιακός βιολόγος Alan Rodrigues και οι συνάδελφοί τους έδειξαν ότι οι μηχανικές δυνάμεις θα μπορούσαν να προκαλέσουν το εμβρυϊκό δέρμα κοτόπουλου να δημιουργήσει ωοθυλάκια για την ανάπτυξη των φτερών. Ακριβώς όπως η επιφανειακή τάση μπορεί να τραβήξει νερό σε σφαιρικά σφαιρίδια σε μια γυάλινη επιφάνεια, έτσι και οι φυσικές εντάσεις μέσα σε ένα έμβρυο μπορούν να δημιουργήσουν μοτίβα που καθοδηγούν την ανάπτυξη και τη γονιδιακή δραστηριότητα στους αναπτυσσόμενους ιστούς.

Καθώς ένας οργανισμός μεγαλώνει και αναπτύσσεται, τα κύτταρα στους ιστούς του έλκονται και πιέζονται το ένα πάνω στο άλλο και στο υποστηρικτικό πρωτεϊνικό ικρίωμα (εξωκυτταρική μήτρα) με το οποίο είναι περίπλοκα συνδεδεμένα. Μερικοί ερευνητές έχουν υποψιαστεί ότι αυτές οι δυνάμεις, σε συνδυασμό με αλλαγές στην πίεση και την ακαμψία των κυττάρων, μπορεί να κατευθύνουν το σχηματισμό περίπλοκων μοτίβων. Μέχρι τώρα, ωστόσο, καμία μελέτη δεν μπόρεσε να πειράξει την επίδραση αυτών των φυσικών δυνάμεων από το χημικό στιφάδο στο οποίο σιγοβράζουν.

Τραβώντας ένα μοτίβο

Στο εργαστήριο μορφογένεσης στο Πανεπιστήμιο Ροκφέλερ που διευθύνουν από κοινού, ο Shyer και ο Rodrigues αφαίρεσαν το δέρμα από ένα έμβρυο κοτόπουλου και διέλυσαν τον ιστό για να χωρίσουν τα κύτταρα. Στη συνέχεια τοποθέτησαν μια σταγόνα του κυτταρικού διαλύματος σε ένα τρυβλίο Petri και το άφησαν να αναπτυχθεί σε καλλιέργεια. Παρακολούθησαν καθώς τα κύτταρα του δέρματος αυτο-οργανώνονται σε έναν δακτύλιο στο πάτωμα του πιάτου - σαν μια δισδιάστατη εκδοχή της μπάλας κυττάρων που κανονικά γίνεται το έμβρυο. Παλλόμενοι και συστέλλοντας, τα κύτταρα τραβούσαν ίνες κολλαγόνου στην εξωκυτταρική μήτρα που συναρμολόγησαν γύρω τους. Σε διάστημα 48 ωρών, οι ίνες περιστράφηκαν σταδιακά, συσσωρεύτηκαν μεταξύ τους και στη συνέχεια απωθήθηκαν η μία την άλλη, σχηματίζοντας δέσμες κυττάρων που θα γίνονταν θύλακες φτερών.

«Ήταν μια τόσο καθαρή, απλή πειραματική διάταξη, όπου μπορούσες να δεις ένα όμορφο μοτίβο να βγαίνει και να το ελέγχεις ποσοτικά», είπε ο Brian Camley, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins που δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Αργότερα, προσαρμόζοντας τον ρυθμό συστολής των κυττάρων και άλλες μεταβλητές, οι ερευνητές έδειξαν ότι η φυσική ένταση στην εμβρυϊκή μάζα επηρέαζε άμεσα το μοτίβο. «Νομίζω ότι η μεγαλύτερη έκπληξη ήταν ο τρόπος που τα κύτταρα αλληλεπιδρούσαν με την εξωκυτταρική μήτρα με αυτόν τον πολύ δυναμικό τρόπο, προκειμένου να δημιουργήσουν αυτά τα μοτίβα», είπε ο Rodrigues. "Συνειδητοποιήσαμε ότι είναι ένας αμοιβαίος χορός μεταξύ των δύο."

«Αυτό υποδηλώνει ότι η συσταλτικότητα θα μπορούσε να είναι αρκετή για να οδηγήσει τον σχηματισμό προτύπων», είπε ο Camley. "Αυτό είναι ένα πραγματικά νέο βασικό κομμάτι."

Πρώτα η μηχανική, αργότερα τα γονίδια;

Ο μαθηματικός D'Arcy Wentworth Thompson πρότεινε ότι οι φυσικές δυνάμεις θα μπορούσαν να κατευθύνουν την ανάπτυξη μέχρι το 1917. Στο βιβλίο του On Growth and Form , ο Thompson περιέγραψε πώς οι στρεπτικές δυνάμεις διέπουν το σχηματισμό του κέρατος και των δοντιών, πώς αναδύονται τα αυγά και άλλες κοίλες δομές, ακόμη και τις ομοιότητες μεταξύ μέδουσας και σταγόνων υγρού.

Αλλά οι ιδέες του Thompson επισκιάστηκαν αργότερα από την εξήγηση του Turing, η οποία συνδέθηκε πιο εύκολα με την αναδυόμενη κατανόηση των γονιδίων. Σε μια εργασία του 1952, «Η χημική βάση της μορφογένεσης», που δημοσιεύθηκε δύο χρόνια πριν από το θάνατό του, ο Τούρινγκ πρότεινε ότι σχέδια όπως κηλίδες, ρίγες και ακόμη και τα γλυπτά σχήματα των οστών στον σκελετό ήταν το αποτέλεσμα μιας στροβιλιζόμενης κλίσης χημικών ουσιών που ονομάζονται μορφογόνα. αλληλεπιδρούν μεταξύ τους καθώς διαχέονται άνισα στα κύτταρα. Λειτουργώντας ως μοριακό προσχέδιο, τα μορφογόνα θα μπορούσαν να χτυπήσουν γενετικά προγράμματα που προκάλεσαν την ανάπτυξη δακτύλων, σειρών δοντιών ή άλλων τμημάτων.

Η θεωρία του Turing ήταν αγαπητή στους βιολόγους για την απλότητά της και σύντομα έγινε βασικό δόγμα της αναπτυξιακής βιολογίας. «Υπάρχει ακόμα μια ισχυρή μοριακή και γενετική άποψη για τους περισσότερους μηχανισμούς της βιολογίας», είπε ο Rodrigues.

Αλλά κάτι έλειπε από αυτή τη λύση. Εάν τα χημικά μορφογόνα οδηγούν την ανάπτυξη, είπε ο Shyer, τότε οι επιστήμονες θα πρέπει να είναι σε θέση να δείξουν ότι το ένα προηγείται του άλλου — πρώτα έρχονται οι χημικές ουσίες και μετά το σχέδιο.

Αυτή και ο Rodrigues δεν μπόρεσαν ποτέ να το δείξουν αυτό στο εργαστήριο. Το 2017, πήραν μικρές φέτες από δέρμα εμβρύου κοτόπουλου και παρακολούθησαν προσεκτικά καθώς ο ιστός μαζεύτηκε για να σχηματίσει ένα ωοθυλάκιο. Εν τω μεταξύ, παρακολούθησαν την ενεργοποίηση των γονιδίων που εμπλέκονται στο σχηματισμό ωοθυλακίων. Αυτό που βρήκαν ήταν ότι η γονιδιακή έκφραση συνέβη περίπου την ίδια στιγμή που τα κύτταρα συσσωρεύτηκαν — αλλά όχι πριν.

«Αντί για «έκφραση γονιδίων πρώτα και μετά μηχανική αργότερα», ήταν σαν να δημιουργούσε αυτά τα σχήματα οι μηχανικοί», είπε ο Shyer. Αργότερα, έδειξαν ότι ακόμη και η αφαίρεση ορισμένων από τις χημικές ουσίες που ρυθμίζουν τα γονίδια δεν διέκοψε τη διαδικασία. "Αυτό άνοιξε μια πόρτα για να πει, "Γεια, κάτι άλλο μπορεί να συμβαίνει εδώ", είπε.

Η ενεργή μαλακή ύλη της βιολογίας

Οι Shyer και Rodrigues ελπίζουν ότι το έργο τους και οι μελλοντικές έρευνες θα βοηθήσουν στην αποσαφήνιση του ρόλου της φυσικής και της αλληλεπίδρασής της με τις χημικές ουσίες και τα γονίδια κατά την ανάπτυξη.

«Συνειδητοποιούμε ότι όλη η έκφραση των μοριακών γονιδίων, η σηματοδότηση και η παραγωγή δυνάμεων στην κίνηση των κυττάρων είναι απλώς άρρηκτα συνδεδεμένες μεταξύ τους», δήλωσε ο Edwin Munro, μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο που δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Ο Munro πιστεύει ότι ο ρόλος της εξωκυττάριας μήτρας είναι πιο σημαντικός από ό,τι αντιλαμβάνονται οι επιστήμονες επί του παρόντος, αν και η αναγνώριση του πιο κεντρικού ρόλου της στην ανάπτυξη χτίζεται. Πρόσφατη έρευνα έχει συνδέσει δυνάμεις στην εξωκυτταρική μήτρα με την ανάπτυξη αυγών μύγας, για παράδειγμα.

Ο Rodrigues συμφώνησε. «Είναι σαν τα κύτταρα και η εξωκυτταρική μήτρα να σχηματίζουν ένα υλικό από μόνοι τους», είπε. Περιγράφει αυτή τη σύζευξη συσταλτικών κυττάρων και εξωκυτταρικής μήτρας ως «ενεργό μαλακή ύλη» και πιστεύει ότι δείχνει έναν νέο τρόπο σκέψης για τη ρύθμιση της εμβρυϊκής ανάπτυξης που συμβαίνει μέσω εξωκυτταρικών δυνάμεων. Σε μελλοντική εργασία, αυτός και ο Shyer ελπίζουν να αποσαφηνίσουν περισσότερες λεπτομέρειες των φυσικών δυνάμεων στην ανάπτυξη και να τις συγχωνεύσουν με τη μοριακή άποψη.

«Σκεφτήκαμε ότι αν μελετούσαμε το γονιδίωμα με όλο και περισσότερο βάθος και αυστηρότητα, όλα αυτά θα ήταν ξεκάθαρα», είπε ο Shyer, αλλά «οι απαντήσεις στα σημαντικά ερωτήματα μπορεί να μην είναι στο επίπεδο του γονιδιώματος». Κάποτε φαινόταν ότι οι αναπτυξιακές αποφάσεις γίνονταν μέσω της αλληλεπίδρασης των γονιδίων και των προϊόντων τους μέσα στα κύτταρα, αλλά η αναδυόμενη αλήθεια είναι ότι «η λήψη αποφάσεων μπορεί να συμβαίνει έξω από το κύτταρο, μέσω των φυσικών αλληλεπιδράσεων των κυττάρων μεταξύ τους». /P>