Исследования на плодовых мушках показывают, что механические силы влияют на эволюционные изменения

от

Складка ткани, известная как головная борозда, играет механическую роль в стабилизации тканей эмбриона во время развития плодовой мушки Drosophila melanogaster

Исследователи объединили компьютерное моделирование со своими экспериментами и показали, что время и место формирования головной борозды имеют решающее значение для её функции, предотвращая механическую нестабильность в тканях эмбриона.

Работа опубликована в журнале Nature.

Увеличение механической нестабильности, вызванное движениями эмбриональных тканей, могло способствовать возникновению и эволюции генетической программы головной борозды. Это показывает, что механические силы могут формировать эволюцию новых особенностей развития.

Механические силы формируют ткани и органы во время развития эмбриона через процесс, называемый морфогенезом.

Эти силы заставляют ткани толкать и тянуть друг друга, предоставляя клеткам необходимую информацию и определяя форму органов. Несмотря на важность этих сил, их роль в эволюции развития до сих пор не до конца изучена.

Эмбрионы животных претерпевают потоки тканей и процессы складывания, включающие механические силы, которые преобразуют однослойную бластулу (полый шар клеток) в сложную многослойную структуру, известную как гаструла. Во время ранней гаструляции некоторые мухи отряда Diptera формируют складку ткани на границе головы и туловища, называемую головной бороздой. Эта складка является специфической особенностью подгруппы Diptera и поэтому представляет собой эволюционную новизну мух.

Исследовательские группы Павла Томаняка и Карла Моудса, оба руководителя групп в Институте молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка в Дрездене, Германия, изучили функцию головной борозды во время развития плодовой мушки Drosophila melanogaster и потенциальную связь с её эволюцией.

Исследователи знали, что в формировании головной борозды участвуют несколько генов. Головная борозда особенно интересна, поскольку это заметная эмбриональная инвагинация, формирование которой контролируется генами, но которая не имеет очевидной функции во время развития. Складка не даёт начало специфическим структурам, и позже в развитии она просто разворачивается, не оставляя следов.

Бруно К. Веллутини, научный сотрудник группы Томаняка, который возглавлял исследование вместе с Томаняком, объясняет: «Наш первоначальный вопрос заключался в том, чтобы выявить гены, участвующие в формировании головной борозды, и определить роль инвагинации в развитии. Позже мы расширили наши исследования на другие виды мух и обнаружили, что изменения в экспрессии гена buttonhead связаны с эволюцией головной борозды».

Эксперименты исследователей показывают, что отсутствие головной борозды приводит к увеличению механической нестабильности эмбриональных тканей, а основными источниками механического стресса являются деление клеток и движение тканей, типичные для гаструляции.

Они демонстрируют, что формирование головной борозды поглощает эти сжимающие напряжения. Без головной борозды эти напряжения накапливаются, и внешние силы, вызванные делением клеток в однослойной бластуле, вызывают механическую нестабильность и складчатость тканей.

Эта интригующая физическая роль дала исследователям идею о том, что головная борозда могла развиться в ответ на механические проблемы гаструляции двукрылых, причём механическая нестабильность выступала в качестве потенциального фактора отбора.

Чтобы определить вклад отдельных источников механического стресса, экспериментаторы из группы Томаняка объединились с группой Моудса для создания теоретической физической модели, которая ведёт себя как эмбрионы мух.

Моудз говорит: «Наша модель может имитировать поведение эмбриональных тканей в эмбрионах мух с очень небольшим количеством свободных параметров. В модель были введены данные из экспериментов. Сначала мы хотели увидеть, как прочность складки влияет на функцию головной борозды. Мы предположили, что сильное натяжение внутри складки является хорошим буфером для противодействия механическим силам».

«Однако мы обнаружили, что положение и время имеют решающее значение. Чем раньше формируется головная борозда, тем лучше она выполняет функцию буфера, а когда она формируется примерно в середине эмбриона, она оказывает сильнейший буферный эффект».

Эта физическая модель обеспечивает теоретическую основу, согласно которой головная борозда может поглощать сжимающие напряжения и предотвращать механическую нестабильность в эмбриональных тканях во время гаструляции.

Другое исследование, также посвящённое механизмам того, как мухи противодействуют механическим стрессам, опубликовано одновременно в журнале Nature. Группа под руководством Штеффена Лемке из Университета Хоэнхайма, Германия, и Ю-Чиун Вана из Центра исследований динамики биосферы RIKEN в Кобе, Япония, обнаружила два разных способа, с помощью которых мухи справляются со сжимающим стрессом во время эмбрионального развития.

Мухи либо имеют головную борозду, либо, если у них её нет, демонстрируют широко распространённое деление вне плоскости, то есть клетки делятся вниз, чтобы уменьшить площадь поверхности. Оба механизма действуют как механические поглотители для предотвращения столкновения тканей и их деформации.

Авторы исследования работали вместе с исследователями MPI-CBG в ходе своих исследований.

Томаняк резюмирует результаты, заявляя: «Наши выводы предоставляют эмпирические доказательства того, как механические силы могут влиять на эволюцию инноваций на ранних стадиях развития. Головная борозда могла развиться в результате генетических изменений в ответ на механические проблемы гаструляции двукрылых. Мы показываем, что механические силы важны не только для развития эмбриона, но и для эволюции его развития».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте