Исследование выявило механизмы, ответственные за эмбриональное развитие у плодовых мух

        

Первые мгновения жизни разворачиваются с невероятной точностью. Теперь, используя математические инструменты и помощь плодовых мушек, исследователи из Принстона обнаружили новые открытия о механизмах такой точности.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Cell Cell команда показала, что клетки точно определяют, где они должны быть и, следовательно, какими частями тела они станут, оптимизируя использование всей информации, доступной из генетической системы. код. Эта оптимизация позволяет каждой ячейке располагаться в пределах ширины одной ячейки, где она должна быть, вместо того, чтобы делать ошибки, которые позже исправляются.

Исследование также демонстрирует, что сложная биологическая система может работать в соответствии с математически оптимальным процессом. Команда смогла предсказать расположение клеток в пределах 1 процента от их фактического местоположения по длине эмбриона, показав, что биологическое поведение может быть рассчитано и предсказано на основе теоретических принципов.

«Информация, необходимая для указания точного местоположения клеток – и, следовательно, какими частями тела они станут – присутствует и используется на самых ранних стадиях развития у плодовых мушек», – сказал Томас Грегор, доцент физики и Льюис Институт интегративной геномики им. «Это контрастирует с преобладающим мнением о том, что положение клеток постепенно улучшается с течением времени».

«Теоретическая идея очень проста: каждая клетка использует всю информацию, которую она может выжать из соответствующих генов», – сказал Уильям Биалек, профессор физики Джона Арчибальда Уилера / Баттелла и Льюис-Сиглер Институт интегративной геномики. «Что-то, что мы знаем некоторое время, но никогда не перестанем удивляться, – это то, что вся система невероятно точна, и это заставило нас поверить, что клетки используют всю информацию, которую они могут».

Клетки берут сигналы от генов или, более конкретно, от белковых молекул, которые производят эти гены. Но используют ли клетки всю информацию, чтобы все было правильно с первого раза? Или система грязная, с ошибками, которые исправляются до того, как эмбрион причинит непоправимый вред?

Вопрос был именно о типе большой проблемы, которую любит решать команда биологов и физиков, которые работают вместе с начала 2000-х годов.

Благодаря предыдущей работе члена команды Эрика Вишауса, профессора молекулярной биологии Сквибба, профессора молекулярной биологии и Института интегративной геномики им. Льюиса-Сиглера, ученые точно знают, какие гены и молекулы участвуют в создании полос на эмбрионе, что отметить сегменты личинки мухи. Если что-то идет не так, полосы образуются в неправильных местах или не появляются вообще.

«Эксперимент определяет первую по-настоящему количественную меру того, сколько информационных ячеек имеется в наличии для принятия важных решений, касающихся развития, и какую часть этой информации они на самом деле используют», – сказал Вишаус, который является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза и получил Нобелевскую премию 1995 года. Приз в области физиологии и медицины за работу по генетическому контролю раннего эмбрионального развития.

«Это дает нам удивительный инструмент для понимания того, как на самом деле работает принятие решений в биологии, и который полезен на разных уровнях – от того, как белки связываются с ДНК, до того, как возникают новые биологические пути и конкурируют в ходе эволюции», – сказал он.

Мариела Петкова, одна из первых авторов исследования, была студенткой, работавшей в лаборатории Грегора, когда она взяла вопрос о том, как клетки используют генетическую и молекулярную информацию, чтобы найти свое местоположение и судьбы.

«Мы серьезно относимся к идее, что в развивающихся эмбрионах клетки должны« знать »свое положение, чтобы принимать правильные решения в области развития», – сказала Петкова, класс 2012 года. «Можно представить клетки как устройства GPS, которые вместо спутниковых сигналов, собирать молекулярные сигналы, чтобы выяснить их местоположение. Мы можем расшифровать, как такие молекулярные сигналы определяют положения вдоль длины раннего эмбриона мухи ".

Ученые давно знают, что полосы образуются в результате каскада шагов, начинающегося с мамы-мухи, которая засовывает в каждое яйцо набор инструкций, построенный из трех различных типов сигнальных молекул.

Эти сигнальные молекулы распространяются по телу зародыша, образуя градиенты концентрации, которые активируют четыре так называемых гена «пробела». Экспрессия этих генов приводит к образованию белковых молекул, которые воздействуют на сегменты ДНК, известные как энхансеры, чтобы стимулировать гены «парного правила» для получения полосатого рисунка.

Петкова провела подробные измерения экспрессии гена гэпа и точного количества молекул, продуцируемых в клетках вдоль длинной оси тела. Она начала исследования в рамках своей старшей диссертации, а затем отложила учебу в аспирантуре на год, чтобы продолжить работу над проектом. Она закончила работу в перерывах после обучения в аспирантуре по биофизике Гарвардского университета.

С помощью этих измерений теоретическая физическая часть команды смогла смоделировать, как клетки используют информацию, чтобы найти свое место в зародыше. В состав команды входил соавтор Гашпер Ткачик, который получил степень доктора философии. по физике в Принстоне в 2007 году и в настоящее время является преподавателем в Институте науки и техники Австрии.

Существует много способов, которыми клетки могут использовать информацию, закодированную в молекулах. Но исследователи решили предположить, что эмбрион использует всю доступную информацию, закодированную в молекулах. Они назвали это «оптимальным подходом декодирования».

С этим допущением Ткачик и Биалек использовали относительно простой математический подход, чтобы предсказать, где сформируются полосы. Затем команда сравнила прогнозы с фактическими измерениями молекул щели и обнаружила, что они точно определили местоположение полос.

Настоящее доказательство появилось, когда Петкова изучила яйца, откладываемые мухами, которые имеют мутации в генах, кодирующих материнские сигнальные молекулы, которые находятся в начале каскада. Команда точно предсказала, как различные генные мутации изменили рисунок полосы – например, заставив некоторые полосы исчезнуть или сформироваться в неправильном месте.

«Мы использовали генетические манипуляции, чтобы перетасовать паттерны гена разрыва и« обмануть »клетки, чтобы« подумать », что они находятся где-то еще на протяжении эмбриона», – сказала Петкова. «Мы поместили эти перемешанные паттерны через наш декодер и построили карты декодирования, которые указывали нам, где находятся клетки по сравнению с тем, где они думали, что они находятся. Используя эти карты, мы предсказывали, где эмбрионы будут образовывать полоски. Когда мы смотрели на эти мутантные эмбрионы под микроскопом мы действительно нашли полосы в предсказанных местах! Это было очень приятно ».

Исследование получает вопрос о том, можно ли сделать надежные прогнозы о биологических системах, исходя из теоретических принципов, по мнению авторов.

«Это открытие дает нам теоретические надежды на то, что наша работа в области биологии не будет навсегда приписана к подгонке моделей на основе данных, но на самом деле будет предсказывать и количественно понимать, почему эволюция пришла к определенным решениям», – сказал Ткачик. «Это дает обещание, по крайней мере для нескольких примеров, что может существовать« прогностическая теория для биологии »- отличная мотивация для будущей работы».

Добавил Биалек: «Отличительной чертой современной физики является то, что общие теоретические принципы могут быть связаны с экспериментом в изысканных количественных деталях», – сказал он. «Давно было трудно представить такую ​​теорию – экспериментальное взаимодействие в физике биологических систем – живые существа казались слишком сложными, слишком грязными. Эта работа – один из самых ярких примеров сравнения теорий и экспериментов, которые я видел Я всегда надеялся, что мы доберемся до этого уровня, но я не знал, когда это произойдет ».

Вишаус добавил: «Большинство ученых склонны считать, что биологические процессы по своей природе неаккуратны и что клетки достигают точности благодаря многочисленным корректирующим шагам и сложным интерактивным сетям. Такие процессы, безусловно, существуют. Однако меня удивляет то, насколько точны и воспроизводимы информация может находиться на одном этапе развития, и как только эта информация появится, то как эволюция и естественный отбор могут подтолкнуть клетки к максимально эффективному использованию этой информации ».

Плодовая муха ( Drosophila melanogaster ) часто используется для изучения общих принципов биологии, которые могут применяться к более сложным организмам, таким как человек. По словам Грегора, еще предстоит выяснить, придерживаются ли организмы, помимо плодовой мухи, такого оптимального использования информации,

«Это исследование дает нам взгляд на то, как генетические сети кодируют информацию, как сети работают вместе, и как они выполняют вычисления, которые они могут делать», – сказал Грегор. «Существуют генетические сети, которые делают все что угодно в биологии, так что это, безусловно, богатая область для дальнейших исследований».

Источник:

https://www.princeton.edu/news/2019/01/31/how-fruit-fly-got-its-stripes-researchers-explore -precision-эмбриональное развитие

      

Source link