Теория управления раскрывает механизмы согласованного роста тканей у рыбок данио

от

Исследователи из Японии и США обнаружили, что ткани у рыбок данио координируют свой рост во время эмбрионального развития, используя стратегию «лидер-последователь», описанную в теории формирования. Хорда выступает в роли лидера, инициируя удлинение, в то время как соседние ткани растут и мигрируют вместе с ней в ответ на градиенты факторов роста фибробластов, клеточную адгезию, опосредованную кадгерином-2, и механическую передачу сигналов Yap.

Учёные смогли воспроизвести это поведение с помощью математической модели, выявив принцип, основанный на теории управления, для согласованного развития тканей у эмбрионов.

Развитие организма из одной клетки — это процесс, требующий невероятной точности. По мере роста эмбриона различные ткани, такие как мышечная, нервная и ткани органов, должны формироваться и расширяться синхронно, сохраняя при этом правильное положение относительно друг друга. Хотя этот гармоничный рост необходим для формирования функционального тела, механизмы, которые его регулируют, остаются в значительной степени неизвестными.

Для решения этой задачи учёные часто обращались к другим областям в поисках вдохновения и полезных методов. Например, концепция из инженерии, известная как «управление формированием», обеспечивает основу для анализа того, как группы агентов, таких как рои дронов или стаи животных, могут поддерживать своё коллективное пространственное расположение во время движения.

В недавнем исследовании группа учёных под руководством доцента Тору Каваниси из Института науки Токио (Япония) в сотрудничестве с профессором Шоном Мегасоном из Гарвардской медицинской школы (США) раскрыла удивительный механизм, с помощью которого ткани у рыбок данио координируют свой рост во время эмбрионального развития.

Их работа, опубликованная в журнале Science Advances 30 июля 2025 года, была сосредоточена на трёх тканях у эмбрионов рыбок данио — хорде, пластинке дна и гипохорде, — которые должны расти и удлиняться вместе, сохраняя точное выравнивание во время формирования оси тела животного.

Используя визуализацию в режиме реального времени с высоким разрешением и математическое моделирование, исследователи обнаружили, что ткани-последователи (пластинка дна и гипохорда) следуют за хордой, которая выступает в роли лидера. Однако вместо простого добавления новых клеток на одном конце эти ткани-последователи используют сложную стратегию миграции.

Клетки-последователи коллективно ползут по поверхности удлиняющейся хорды в ответ на градиент молекул, передающих сигналы факторов роста фибробластов. Этот процесс вызывает лёгкое механическое растяжение, которое стимулирует деление клеток через механически чувствительный белок под названием Yap.

Благодаря тщательным экспериментам исследователи выяснили, что клетки в хвосте мигрируют более активно, чем клетки ближе к голове, обеспечивая равномерное распределение механических сил по всей ткани. Это предотвращает образование пробелов, позволяя при этом быстрый и синхронизированный рост. Компьютерное моделирование подтвердило, что такой паттерн «градуированной миграции» необходим для поддержания целостности ткани во время удлинения срединных тканей.

Кроме того, исследователи обнаружили, что в заднем конце, где происходит новый рост, между тканями существуют сильные адгезивные связи, опосредованные белком кадгерином-2. Эта адгезия действует как механизм тонкой настройки, позволяя тканям-последователям регулировать скорость своего удлинения в режиме реального времени, чтобы соответствовать ткани-лидеру, даже если их внутренние скорости роста различаются.

Примечательно, что все механизмы «лидер-последователь» были успешно воспроизведены с помощью математической модели, основанной на теории формирования. «Наше исследование представляет новый принцип проектирования для согласованного роста тканей в эмбриональном развитии, показывая, что концепции из теории управления, включая теорию формирования, могут быть применены к биологическим системам», — говорит Каваниси.

В целом, это исследование даёт представление, которое в конечном итоге может быть использовано для разработки подходов в тканевой инженерии и помочь учёным понять нарушения развития, связанные с проблемами координации тканей. «Наши выводы открывают новые возможности для понимания того, как строятся и поддерживаются сложные тканевые архитектуры, что может быть актуально для других органов и видов», — заключает Каваниси.

Предоставлено Институтом науки Токио.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте