В ходе исследования ученые стремились ответить на два, казалось бы, противоположных вопроса: каковы пределы разнообразия, которое может быть создано в процессе развития, и какие общие черты присущи всем многоклеточным организмам во время их развития, - пишет eurekalert.org.
На Земле развились различные формы сложных многоклеточных организмов, от простых Volvox carterii, которые имеют только 2 типа клеток, до людей, имеющих более 200 типов клеток. Все они происходят из одноклеточной зиготы, и процессы их развития зависят от генной регуляции, подобной переключателю. Эти процессы были детально изучены на нескольких модельных организмах, таких как червь C. elegans и плодовая мушка D. melanogaster. Также известно, что ключевые молекулы и механизмы, которые участвуют в развитии многоклеточных организмов, высоко консервативны у разных видов.
Что еще примечательно, так это то, что только горстка молекул и механизмов, участвующих в развитии многоклеточного организма, может создать такое огромное разнообразие форм и сложности. Недавно исследователи из Центра мягкой и живой материи Института фундаментальных наук исследовали, как это возможно, используя простую математическую модель.
Три процесса являются общими для биологического развития всех многоклеточных организмов: деление клеток, клеточная передача сигналов и регуляция генов. Таким образом, модель этого исследования сгенерировала миллионы этих правил и исследовала их беспристрастно. Карты, созданные моделью, показывают, как один тип клеток превращается в другой в течение жизни организма. Традиционно предыдущие карты типов клеток, основанные на одноклеточной транскриптомике, имеют тенденцию быть древовидными, при этом стволовые клетки располагаются в корне дерева, а все более специализированные клетки появляются ниже по течению вдоль ветвей дерева. Однако карты типов клеток, полученные с помощью новой математической модели, были далеки от древовидных; было обнаружено, что существует множество перекрестных связей между разными ветвями типов клеток. В результате были получены ориентированные ациклические графы, и было обнаружено, что древовидные линии являются наименее распространенными. Это означает, что несколько маршрутов развития могут сходиться в терминальном типе клетки на картах, созданных моделью.
Неожиданно было также обнаружено, что многие организмы, созданные с помощью математической модели, были наделены способностью регенерировать потерянные клетки без какого-либо отбора со стороны авторов. Когда один тип клеток выделяется из взрослого организма, отдельная клетка может трансформироваться во все другие типы клеток и пополняться ими. Эта способность генерировать все клетки тела называется плюрипотентностью, и эти клетки наделили организмы в модели способностью к регенерации всего тела. Интересно, что большинство родословных древовидных типов содержат мало плюрипотентных клеток по сравнению с другими типами графов.
В то время как млекопитающие, в том числе люди, особенно плохо восстанавливают поврежденные части, многие животные, такие как черви и гидра, исключительно хороши в этой способности. Фактически, регенерация всего тела широко распространена на всем древе жизни многоклеточных животных, и поэтому была выдвинута гипотеза, что регенерация всего тела может быть эпифеноменом самого биологического развития. Тот факт, что плюрипотентность возникла в этой очень упрощенной модели, предполагает, что эта черта действительно может появиться в результате самого процесса развития, и для ее реализации не требуются какие-либо специальные дополнительные компоненты.
В дополнение к этим результатам ожидается, что структура этой
модели может быть использована для изучения многих других
аспектов разработки. Эта генеративная модель проста и модульна, и
ее можно легко расширить для изучения важных процессов, которые
не были включены в настоящее исследование, таких как эффект
пространственного расположения клеток и эффект гибели клеток.
Исследователи также описали некоторые возможные эксперименты в
реальной жизни, чтобы проверить некоторые из прогнозов, сделанных
их математической моделью. Есть надежда, что структура этой
модели окажется полезной для выявления новых особенностей
развития, которые могут иметь широкий спектр применений в
биологии развития и регенеративной медицине.
[Фото: eurekalert.org]
