Новый способ визуализации активности одной клетки у живых эмбрионов рыбок данио позволил ученым прояснить, как в правильном месте клетки выстраиваются в нужное место, чтобы получать сигналы о следующем этапе их жизни.
Ученые разработали инструмент для визуализации в отдельных живых клетках, сплавляя белок, определяющий циклическое поведение клеток, на желтый флуоресцентный белок, который позволяет визуализировать. Зародыши-даниоры уже прозрачны, но с этим более близким микроскопическим взглядом на самые ранние этапы жизни исследователи ответили на два давних вопроса о том, как клетки взаимодействуют, чтобы сформировать эмбриональные сегменты, которые позже становятся мышцами и позвонками.
При нормальных условиях эмбрионов рыбок данио клетки колеблются синхронно со своими соседями, когда они готовятся к созданию сегментов, которые позже становятся мышцами и позвонками. Когда цветная карта (верхний левый угол) используется для обозначения фазы колебаний в каждой ячейке при любом фиксированном снимке времени, при холодных цветах, представляющих пик волны активации гена, а теплые цвета – более низкие уровни активации, очевидно в верхнем изображении, что соседние ячейки находятся в аналогичной фазе или плавно переходят к следующей фазе. Однако у эмбрионов, у которых отсутствует мощная система обмена сообщениями, называемая сигналом Notch, эта синхронизация теряется. На нижней карте клетки в мутантных эмбрионах, у которых отсутствует сигнал Notch, колеблются, но случайный ассортимент цветов без плавных переходов показывает, что Notch требуется для синхронизации колебаний в соседних ячейках. Изображения предоставлены Университетом штата Огайо
Хотя эти ученые рассматривают молекулярные «часы», которые определяют время эмбриональной сегментации, результаты увеличивают понимание циклического поведения во всех типах клеток на многих этапах развития, включая проблемные клетки, которые вызывают рак и другие заболевания. По словам исследователей, понимание того, как манипулировать этими часами или сигналами, которые их контролируют, может привести к новым способам лечения определенных человеческих состояний.
Эмбриональные клетки проходят колебательные циклы приема высоких и низких сигналов в процессе изготовления сегментированной ткани, а активация генов группами клеток должна оставаться синхронизированной для правильного формирования сегментов. Одна из нескольких мощных систем обмена сообщениями у всех позвоночных называется сигнальной дорожкой Notch, и ее точная роль в этих колебаниях и синхронизации до сих пор была загадкой.
В этом исследовании исследователи подтвердили, что клетки должны получать сигнал Notch для поддержания синхронизации с соседними клетками и формирования сегментов, которые станут тканями, но клетки могут активировать свои гены в колебательных структурах с сигналом или без него.
«Впервые это прибивает, – говорит Шарон Амачер, профессор молекулярной генетики в Университете штата Огайо и ведущий автор исследования. «Это дает данные о том, что ячейки с отключенной сигнализацией Notch могут колебаться очень хорошо, но то, что они не могут сделать, синхронизируется со своими соседями».
Изображения также позволили Amacher и коллегам определить, что деление клеток, называемое митозом, не является случайным событием, как когда-то считалось. Вместо этого деление имеет тенденцию происходить, когда соседние клетки находятся в нижней точке активации гена для приема сигнала, что указывает на то, что митоз не является «шумным» или потенциально разрушительным, как это предполагалось ранее.
Исследование опубликовано в ноябрьском номере журнала Developmental Cell.
Работа Амахера фокусируется на создании этих сегментов ткани, называемых сомитами, в мезодерме эмбрионов рыбок данио – эта область приводит к появлению ребер, позвонков и мышц у всех позвоночных, включая людей.
«Этот ранний процесс сегментации действительно важен для формирования множества последующих событий развития – структуры нервной системы и сосудистой сети, большая часть которых зависит от этих часов, гарантируя, что раннее развитие происходит правильно», – сказал Амачер.
Однако, в отличие от известных 24-часовых циркадных часов, активность клеток на самых ранних стадиях развития может происходить в течение нескольких минут, что делает их часы очень сложными для изучения.
Этому исследованию способствовало сотрудничество между биологами и физиками, в том числе разработка мощного вычислительного анализа на основе MATLAB соавтором Пола Франсуа, доцента физики в Университете Макгилла. Франсуа помог полуавтоматизировать отслеживание клеток, а также преобразовать необработанные данные о фазе каждой ячейки в карты, позволяющие более конкретные визуализации. Он работал с Эмили Делоне, постдокторантом, который построил инструмент для визуализации и ранее отследил ячейки, и аспирант Натан Ши. Amacher, Delaune и Shih провели исследование в Калифорнийском университете в Беркли. Амахер присоединился к факультету штата Огайо в июле.
Специалисты в сегментации тканей сравнивают колебательный цикл активации генов и деактивации, которые проходят клетки, прежде чем они образуют сомиты к волне, которую фанаты выполняют на стадионе. В соответствии с часами сегментации, гены включаются, образуются белки, затем белки ингибируют активацию гена и т. Д., И образец повторяется до образования всех необходимых сомитов. Соседние ячейки должны синхронизироваться друг с другом так же, как спортивные болельщики в одном и том же разделе должны стоять и сидеть одновременно, чтобы эффективно сформировать волну.
Сомиты Zebrafish образуют каждые 30 минут, что означает, что в течение любого одного цикла волны клетка участвует в создании белка всего около пяти минут. Чтобы создать инструмент для создания изображений, исследователи связали желтый флуоресцентный белок с циклическим белком, который, как известно, имеет короткий срок службы. Полученный в результате недолговечный флуоресцентный слитый белок позволил Амахеру и его коллегам смотреть на отдельные клетки вместе со своими соседями, чтобы наблюдать, как они оставались синхронизированными по мере того, как они волновали.
Исследователи в этой области ранее считали, что путь сигнализации Notch может потребоваться для запуска часов в этих циклических генах, хотя противоречивые данные показали, что часы могут работать без сигнала.
Изображение Amacher показало, что, действительно, Notch требуется только для поддержания синхронизации, но не для запуска осциллирующих часов. Она и коллеги опробовали эту идею, объединив инструмент обработки изображений с тремя типами мутантных ячеек с отключенными Notch-сигналами. Клетки во всех трех мутантах могут колебаться, но не синхронизированы, объясняя, как они не смогли сформировать сегменты таким образом, чтобы клетки, получающие сигнал Notch, могли.
Дефекты в сигнале Notch связаны с человеческими врожденными нарушениями развития, характеризующимися неправильными ребрами и позвонками, предполагая, что эта работа дает представление о потенциальных методах лечения для предотвращения этих дефектов.
Затем исследователи попытались определить, прервала ли деление клетки синхронность, необходимую для создания сегментов. Митоз, происходящий от 10 до 15 процентов эмбриональных клеток в любой момент, считается источником биологического «шума», поскольку, когда клетки делятся, они прекращают активировать гены. Если деление происходило случайным образом, как считалось ранее, а не в шаблоне, то очень деление клеток, необходимое для роста организма, могло также нарушать синхронизацию часов, создавая проблемы, которые должны были бы преодолеть сегментирующие организмы.
Исследование показало, однако, что большинство клеток делятся, когда их соседи находятся в низкой точке активации гена – в нижней части волны, что указывает на то, что деление клеток не происходит случайным образом. Исследовательская группа отметила, что две дочерние клетки, созданные из нового разделения, более тесно синхронизированы друг с другом, чем любые другие соседи по соседству в этом районе.
В нормальных условиях эти две дочери быстро синхронизируются со своими соседями. У эмбрионов, у которых отсутствовала сигнализация Notch, новорожденные дочери появились как пара сильно синхронных клеток в основном асинхронном море, показывая, что колебание может возобновиться без сигнального пути. Без Notch дочерние клетки постепенно выходили из синхронности, становясь похожими на своих асинхронных соседей.
Амарч сказал, что эти результаты могут быть включены в модели поведения клеток развития для дальнейшего продвижения исследований клеточной биологии.
«Большинство наших тканей и органов не состоят из одних и тех же типов клеток. У них разные рабочие места. Поэтому вы не хотите, чтобы они одинаково реагировали на каждый сигнал; вы хотите, чтобы у них были разные ответы », – сказала она. «Нам нужно понимать такие системы, которые помогают клеткам не только интерпретировать сигналы в их среде, но и поступать правильно, когда они получают этот сигнал».