Во время развития организма клетки делятся и координированно располагаются, формируя эмбрион. Клетки взаимодействуют друг с другом через рецепторы на поверхности, которые взаимодействуют с белками вне клетки, запуская процессы в клетках развивающегося эмбриона в определённое время и в определённых местах. Однако детальные молекулярные механизмы, лежащие в основе коммуникации клеток во время раннего эмбрионального развития, ещё до конца не изучены.
Новое исследование
Учёные из Чикагского университета обнаружили новое взаимодействие между двумя важными рецепторами и исследовали их роль в эмбриональном развитии. Один из них, латрофилин, представляет собой G-белок-связанный рецептор (aGPCR), который помогает клеткам прикрепляться друг к другу. Другой — толл-подобный рецептор, который обычно связан с врождённым иммунитетом.
Используя модель нематоды C. elegans, исследователи с помощью биохимических методов, визуализации и исследований на животных изучили, как два рецептора взаимодействуют уникальным образом, который ранее не наблюдался. Предотвращение взаимодействия рецепторов в C. elegans привело к значительным нарушениям развития, что позволяет предположить, что они имеют решающее значение для развития эмбриона и функций нервной системы.
«Мы полагаем, что обнаружили ось клеточной адгезии и коммуникации, которая обеспечивает правильное формирование плана строения и сохранение правильной формы и клеточных контактов», — сказал один из старших авторов исследования, доктор Энгын Озкан, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии. Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Nature Structural & Molecular Biology.
Результаты исследования
Исследование проводилось под руководством Габриэля Кармона-Росаса, доктора философии, бывшего постдокторанта в UChicago, который сейчас работает в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, Цзинсянь Ли, доктора философии, штатного учёного, и Джейсона Смита, доктора философии, постдокторанта, оба из UChicago.
Используя криоэлектронную микроскопию для получения изображений структур белков с высоким разрешением, они увидели, что рецепторы взаимодействуют друг с другом уникальным образом, а не так, как обычно соединяются латрофилин и толл-подобный рецептор. Это указывало на то, что это взаимодействие может иметь какую-то другую цель, помимо обычных функций врождённого иммунитета.
Сначала команды определили полные структуры белков и разработали точечные мутации, которые нарушали взаимодействие между латрофилином и толл-подобным рецептором, сохраняя при этом остальные их обычные функции. Затем Смит и Кратсиос, эксперты по биологии развития, ввели те же мутации в животных C. elegans с помощью редактирования генов CRISPR/Cas9, чтобы нарушить взаимодействие in vivo.
Эмбрионы червей с этими мутациями имели значительные нарушения развития, полностью деформированные тела у тех немногих, кто выжил в течение длительного времени, — те же дефекты, которые появляются у червей с полностью выключенными генами, кодирующими эти рецепторы. Это стало дополнительным доказательством того, что эти рецепторы, и особенно их уникальное взаимодействие, играют важную роль в эмбриональном развитии.
«Мне понравилась эта коллаборация — она сочетает в себе данные о структуре высокого разрешения с потрясающей мощью генетики C. elegans. Объединив усилия, наши лаборатории получили глубокое представление о механизмах функционирования латрофилинов в развитии животных», — сказал Кратсиос.
«Мы не думали, что это действительно что-то сделает. Мы думали, что, возможно, нарушим несколько нейронных связей, и червь не будет ощущать окружающую среду, или, возможно, черви не смогут правильно двигаться. Но вместо этого мы получили серьёзный дефект развития», — сказал Озкан.
Лаборатория Арача более десяти лет работала над раскрытием структуры полноразмерных aGPCRs, таких как латрофилин, надеясь узнать, как поступающие сигналы передаются извне внутрь клетки. Их работа по разрешению структур, недавно опубликованная в статье в Nature Communications в декабре 2024 года, заложила основу для изучения конкретных функций этих двух рецепторов.
«Это очень хороший пример того, как биохимическая работа in vitro может открыть биологию», — сказала она.
В дальнейшем исследовательская группа хочет изучить эти взаимодействия у позвоночных, включая человека, чтобы понять их более широкое значение в развитии и заболеваниях.
«Возможно, такое взаимодействие важно для позвоночных», — сказал Арач. «В очень ранней модели организма мы видим, что на очень раннем этапе развития эмбриона существует очень важная функция. Существует ли это у высших организмов или нет — большой и интересный вопрос».
Предоставлено медицинским центром Чикагского университета.