Европейские исследователи научились управлять морфогенезом в процессе развития эмбрионов мух при помощи света. С использованием фотоактивируемого регуляторного каскада, который отвечает за изменение формы клеток, ученые, например, вызвали образование брюшного впячивания на спинной стороне эмбриона. Как поясняют авторы статьи в Nature Communications, cистема управления морфогенезом поможет изучить эмбриональное развитие на уровне отдельных клеток и может пригодиться для инженерии тканей in vitro.

Формирование органов у эмбриона происходит в том числе благодаря тому, что «двумерные» клеточные пласты формируют трехмерные структуры при помощи впячиваний. К примеру, из наружного зародышевого листка путем впячивания (инвагинации) образуется нервная трубка, которая впоследствии развивается в центральную нервную систему животных. Это явление – частью комплексного процесса, называемого морфогенезом.

Процесс впячивания зависит от изменения формы отдельных клеток, которые формируют клеточный пласт. В частности, это сужение клеток в верхней части (апикальное сжатие). Изменение формы, в свою очередь, определяется белками актином и миозином и регулируется рядом внутриклеточных сигнальных каскадов, в том числе по Rho-зависимому пути. Искусственно управляя регуляторными каскадами, исследователи учатся запускать так называемый синтетический морфогенез, который может оказаться полезен в биомедицине при выращивании тканей и органов in vitro.

Образование впячивания под действием синего света. Emiliano Izquierdo et al / Nature Communications

Схема формирования апикального сжатия под действием света. Emiliano Izquierdo et al / Nature Communications 2018

Один из подходов для искусственного управления клеточной активностью — это оптогенетика. Внешним сигналом в этом случае является тонкий пучок синего света, который активирует искусственно измененный целевой белок. Самый известный пример использования оптогенетики — это управление возбуждением нейронов в мозге при помощи фотоактивируемого бактериородопсина, однако у этого метода существует еще ряд применений. В частности, светом можно вызвать направленную димеризацию белков внутри клетки.

Исследователи из Европейских молекулярно-биологических лабораторий (EMBL) применили подобную оптогенетическую систему для искусственного управления морфогенезом у эмбриона дрозофилы. Для этого ученые ввели в ДНК мух генетическую конструкцию, кодирующую белок Rho с пришитым к нему фоточувствительным доменом. Под действием света Rho быстро начинал связываться со своим партнером в клеточной мембране. Это в конечном итоге приводило к перестройкам актино-миозинового скелета, формированию апикального сжатия клеток и образованию впячивания в эмбриональном эпителии. Исследователи показали, что место впячивания точно соответствует месту облучения путем направленного формирования «ямок» разной формы — круглых, треугольных и квадратных.

Примеры направленного формирования впячиваний под действием света в эпителии раннего эмбриона дрозофилы. Emiliano Izquierdo et al / Nature Communications 2018

Целью авторов работы в том числе было исследование роли изменения формы клеток на разных стадиях морфогенеза. В частности, при помощи облучения эмбриона светом авторы работы показали, что апикального сжатия клеток достаточно для формирования U-образных впячиваний даже на продвинутых стадиях развития эмбриона, однако для формирования замкнутой трубки этого недостаточно. Мы рассказывали ранее, что для моделирования процессов морфогенеза инженеры сконструировали модульного робота с пневматическим приводом.

Автор: Дарья Спасская