Международная группа ученых изучила одну из фундаментальных проблем биологии развития — процесс формирования различных типов клеток, входящих в состав сложных организмов из одинаковых клеток-предшественников. Это особый тип клеток, присущий всем позвоночным, и они способны развиваться в различные клеточные типы включая нейроны, клетки глии, хрящей, пигментные клетки и клетки некоторых других типов. Результат научной работы опубликован в журнале Nature Communications.
Клетки нервного гребня — это интересные мигрирующие клетки, по своему поведению напоминающие раковые, в том смысле, что они также способны перемещаться по организму. Отличие в том, что раковые клетки формируют метастазы в различных местах, разрушая организм, а клетки нервного гребня формируют, например, вегетативную нервную систему.
«У зародышей всех позвоночных формируются хорда и нервная трубка, и в последней возникает тот самый нервный гребень, в котором формируются клетки, способные мигрировать по всему организму и преобразовываться в клетки разных типов. Этот процесс хорошо изучен, но до сих пор не понятно в какой момент происходит выбор клеткой “своей судьбы”. Версия ограниченного пути (DFR, direct fate restriction) предполагает, что в ходе миграции клетка достигает целевого органа и под воздействием сигналов от клеток этого органа приобретает свой окончательный клеточный тип. Например, в коже, под влиянием каких-то окружающих клеток, формируются пигментные клетки. Версия прогрессивного пути (PFR, progressive fate restriction) предполагает, что клетка сначала приобретает предопределенный клеточный тип, и дальше направляется в предназначенную ей ткань»,— рассказал об исследовании Всеволод Макеев, заведующий кафедрой биоинформатики МФТИ.
Исследователи изучили судьбу 1317 клеток нервного гребня мальков рыбок Danio rerio, помечая зеленым флуоресцентным белком (GFP) еще в икринках определенный ген, работа которого характерна для клеток нервного гребня на ранних стадиях развития. Продукт этого гена заставляет светиться всех потомков этих клеток, что позволяет проследить дальнейшую судьбу путешественников.
Первоначально ученые задались целью ответить на вопрос как происходит само “определение судьбы”: получают ли клетки нервного гребня, достигая какого-то места, сигналы о предстоящем изменении от окрестных тканей, либо наоборот, с самого начала своего пути они знают, кем собираются стать и идут к своей цели.
В этом исследовании первоначально планировалось найти промежуточные типы, в частности, найти и описать предшественников трех типов пигментных клеток. К удивлению исследователей, это сделать не удалось. Было обнаружено, что клетки, которые могут давать все типы пигментных клеток, как минимум могут образовывать ещё периферические нейроны и клетки глии. Такая ситуация в чём-то схожа с теорией, что клетки нервного гребня в итоге делают свой окончательный выбор, получая сигналы от клеток, окружающих их, когда они достигают конечного пункта, с той разницей, что число возможных типов сильно меньше, чем полный спектр производных нервного гребня. Например, клетки, которые переходят в хрящи, определяют свой тип существенно раньше.
«В результате анализа мы пришли к новой модели – клеточный тип определяется динамически: приближаясь к месту назначения “предшественники” ведут себя в зависимости от поступающего к ним от окружения сигнала; если сигнал поступает, клетки приобретают свой окончательный тип, а если сигнал не поступают, они меняют свое “внутреннее состояние” таким образом, что становятся в состоянии воспринять другой сигнал и приобрести другой клеточный тип. Если и этот сигнал не поступает, клетки опять меняют свое внутреннее состояние и т.д. Подобная модель позволяет объяснить результаты многих экспериментов. Это как выбор работы, мы нацелены на определенный результат и ждем предложений, но если они не поступают, рассматриваем и варианты других профессий, и начинаем обращать внимание на предложения, которые игнорировали раньше», — подытожил Всеволод Макеев.
Для формулировки этих результатов потребовались многочисленные очень тонкие эксперименты, проведенные в Великобритании в университете города Бат группой профессора Робера Келша. Российская группа провела исследования в области биоинформатики, которые позволили объединить результаты многолетних экспериментов, проведенных разными исследовательскими группами, всесторонне охарактеризовать ключевые гены и дать более полную оценку их вероятной активности на протяжении процесса дифференцировки.