Трехмерная поверхность диска крыла плодовой мушки до (слева) и после (справа) выворачивания. Синим цветом выделена область мешочка, которая трансформируется из радиально-симметричного купола в изогнутую складку за счет поведения клеток, запрограммированного на форму. Штриховые и пунктирные линии обозначают основные оси, используемые для анализа этих морфологических изменений. Кредит: Fuhrmann et al., Science Advances 2024, MPI-CBG
Ключевым вопросом, который остается в биологии и биофизике, является то, как трехмерные формы тканей возникают в ходе развития животных. Исследовательские группы из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка (MPI-CBG) в Дрездене, Германия, Excellence Cluster Physics of Life (PoL) в Техническом университете Дрездена и Центра системной биологии Дрездена (CSBD) теперь обнаружили механизм, с помощью которого ткани могут быть «запрограммированы» на переход из плоского состояния в трехмерную форму.
Чтобы достичь этого, исследователи изучили развитие плодовой мушки Drosophila и ее крылового дискового мешочка, который переходит от неглубокой куполообразной формы к изогнутой складке и позже становится крылом взрослой мухи. Исследователи разработали метод измерения трехмерных изменений формы и анализа того, как ведут себя клетки во время этого процесса. Используя физическую модель, основанную на программировании формы, они обнаружили, что движения и перегруппировки клеток играют ключевую роль в формировании ткани.
Это исследование, опубликованное в Science Advances, показывает, что метод программирования формы может быть распространенным способом показать, как формируются ткани у животных.
Эпителиальные ткани представляют собой слои тесно связанных клеток и составляют основную структуру многих органов. Для создания функциональных органов ткани изменяют свою форму в трех измерениях. Хотя некоторые механизмы трехмерных форм были изучены, их недостаточно для объяснения разнообразия форм тканей животных.
Например, во время процесса развития плодовой мушки, называемого выворотом крылового диска, крыло переходит из одного слоя клеток в двойной. Каким образом карман крылового диска претерпевает это изменение формы с радиально-симметричного купола на изогнутую складку, неизвестно.
Исследовательские группы Карла Модеса, руководителя группы в MPI-CBG и CSBD, и Натали Дай, руководителя группы в PoL и ранее связанная с MPI-CBG, хотели выяснить, как происходит это изменение формы.
«Чтобы объяснить этот процесс, мы черпали вдохновение из «программируемых по форме» неодушевленных материальных листов, таких как тонкие гидрогели, которые могут трансформироваться в трехмерные формы посредством внутренних напряжений при стимуляции», — объясняет Дай.
«Эти материалы могут изменять свою внутреннюю структуру по всему листу контролируемым образом, создавая определенные трехмерные формы. Эта концепция уже помогла нам понять, как растут растения. Однако ткани животных более динамичны, в них клетки меняют форму, размер и положение». Чтобы выяснить, может ли программирование формы быть механизмом для понимания развития животных, исследователи измерили изменения формы ткани и поведение клеток во время выворачивания крылового диска дрозофилы, когда куполообразная форма трансформируется в изогнутую форму складки.
«Используя физическую модель, мы показали, что коллективное, запрограммированное поведение клеток достаточно для создания изменений формы, которые можно наблюдать в кармане крылового диска. Это означает, что внешние силы со стороны окружающих тканей не нужны, а перегруппировки клеток являются основным фактором изменения формы кармана», — говорит Яна Фурманн, научный сотрудник исследовательской группы Dye.
Чтобы подтвердить, что перегруппированные клетки являются основной причиной выворачивания кармана, исследователи проверили это, уменьшив движение клеток, что, в свою очередь, вызвало проблемы с процессом формирования ткани.
Абхиджит Кришна, докторант в группе Modes на момент исследования, объясняет: «Новые модели для программирования формы, которые мы разработали, связаны с различными типами поведения клеток. Эти модели включают как равномерные, так и зависящие от направления эффекты. Хотя и существовали предыдущие модели для программирования формы, они рассматривали только один тип эффекта за раз. Наши модели объединяют оба типа эффектов и напрямую связывают их с поведением клеток».
Дай и Модс заключают: «Мы обнаружили, что внутреннее напряжение, вызванное активным поведением клеток, формирует карман крылового диска дрозофилы во время выворачивания. Используя наш новый метод и теоретическую основу, полученную с помощью программируемых по форме материалов, мы смогли измерить клеточные паттерны на любой поверхности ткани. Эти инструменты помогают нам понять, как животная ткань трансформирует свою форму и размер в трех измерениях». В целом, наша работа предполагает, что ранние механические сигналы помогают организовать поведение клеток, что впоследствии приводит к изменениям формы ткани. Наша работа иллюстрирует принципы, которые можно было бы использовать более широко для лучшего понимания других процессов формирования тканей.»
Дополнительная информация: Яна Фурманн и др., Активное программирование формы приводит к вывороту крыла дрозофилы, Достижения науки (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp0860, www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp0860
Информация о журнале: Достижения науки
Предоставлено Обществом Макса Планка
