Большинство человеческих сердец выглядят почти одинаково — мышечные клетки в одних и тех же местах, структуры кровеносных сосудов в одинаковых ориентациях. Такие органы, как сердце или желудок, выглядят одинаково и функционируют одинаково у отдельных организмов одного вида, потому что в процессе развития клетки следуют строгим процессам, которые приводят их именно туда, куда им нужно.
Процесс развития включает в себя бесчисленные шаги, которые должны происходить в точном порядке и образом. Изучение этих сложных шагов находится в центре внимания лаборатории Калифорнийского технологического института Анжелы Статопулос, профессора биологии. Лаборатория использует плодовых мушек, которые имеют 24-часовой цикл развития со значительными изменениями, наблюдаемыми почти каждую минуту, в качестве модельной системы.
В новой статье из лаборатории Stathopoulos исследуются клетки каудальной висцеральной мезодермы (CVM), которые в конечном итоге станут мышечными волокнами в кишечнике плодовой мушки. Эти клетки мигрируют от задней части развивающегося эмбриона к передней в течение шести часов — самое длинное расстояние миграции за весь эмбриогенез плодовой мушки.
Новое исследование идентифицирует механизмы, которые гарантируют, что любые своенравные, блуждающие клетки будут самоуничтожаться посредством особой формы клеточной смерти, называемой аноикис. Интересно, что резистентность к аноикису является предшественником многих видов метастатического рака. Понимание путей, которые направляют здоровые аноики, может в конечном итоге дать представление о том, как рак метастазирует и почему он проникает в определенные части тела.
«Смерть клеток — это нормальная, здоровая часть развития», — говорит Статопулос. «Мигрирующая клетка должна постоянно принимать решения и выяснять, находится ли она в нужном месте в теле. Если она не в нужном месте, она должна самоуничтожиться. Теперь мы определили пути, по которым клетка может это сделать».
Статья появится в Интернете в журнале Developmental Cell 15 июня. Фрэнк Макабента, старший научный сотрудник в области биологии и биологической инженерии Калифорнийского технологического института, является первым автором исследования.
Клетки CVM не совершают долгий путь через эмбрион плодовой мушки в одиночку. Эти 40-50 клеток следуют своего рода дорожке, состоящей из клеток другого типа, называемых туловищно-висцеральной мезодермой (TVM). Клетки TVM испускают химический сигнал, называемый фактором роста фибробластов (FGF), который позволяет клетке CVM знать, что она находится в нужном месте.
В середине своей миграции клетки CVM должны перемещаться по крутому изгибу эмбриона, который имеет примерно U-образную форму. В этот момент CVM-клетки начинают пролиферировать в ожидании того, что скоро они окажутся в конце своего пути, когда придет время начинать наращивать мышечную массу. Проблема в том, что когда клетки начинают размножаться, некоторые из них начинают уходить с траектории TVM. Ранее исследователи отмечали, что именно в этот момент эти потерянные клетки подвергаются аноикису и самоуничтожению.
Ген, называемый hid (сокращение от дефекта инволюции головы), отвечает за аноикис. Когда hid экспрессируется в клетке, клетка погибает. В новой работе Макабента обнаружил, что CVM-клетки начинают экспрессировать hid, когда они делают поворот вокруг изгиба в эмбрионе, но они не умирают, если только не выпадают из пути TVM.
Команда обнаружила, что это возможно благодаря сигналам FGF, которые действуют как противоядие от сокрытия: если клетка сбивается с пути и, следовательно, перестает получать сигналы FGF, она умирает; он может оставаться в живых, несмотря на то, что он выражен, пока он остается на правильном пути. Таким образом, эмбрион может убедиться, что любые заблудшие клетки самоуничтожатся, в то время как нормально функционирующие клетки будут сохранены.
Наконец, команда также обнаружила, что определенный путь, называемый путем костного морфогенетического белка (BMP), контролирует время, когда клетки начинают пролиферировать. Передача сигналов BMP инициируется, когда клетки перемещаются по U-образному повороту, примерно в середине их миграции. Именно этот сигнал позволяет клеткам делиться и увеличиваться в количестве.
В клетках есть внутренние «часы», известные как клеточный цикл, которые контролируют время роста, репликации ДНК и клеточного деления (митоза). Команда обнаружила, что время экспрессии hid связано с ходом клеточного цикла, и когда он нарушается, hid больше не экспрессируется в нужный момент во время миграции клеток. Передача сигналов BMP необходима, чтобы позволить клеточному циклу продвигаться вперед через митоз , и, следовательно, также необходима для точного определения времени экспрессии hid, поскольку клетки, которые не могут делиться, не способны своевременно экспрессировать hid для устранения потерянных клеток.
Крайне важно, чтобы клетки могли иметь эти запрограммированные механизмы контроля качества, потому что своенравные клетки могут повредить правильному развитию остального организма.
«Когда мы удаляли ген hid, клетки, которые сошли с пути, выживали и в конечном итоге вторгались и разрушали центральную нервную систему, где их действительно не должно было быть», — говорит Макабента. «Они больше не на правильном пути, поэтому они возвращаются к своего рода «плану Б», где они находят какое-то место, к которому у них есть некоторое сходство. Если вы посмотрите на вскрытия людей, у которых был метастатический рак , обычно это метастазирующие клетки. будут колонизировать определенные места. Наше исследование служит системой, чтобы, мы надеемся, понять, как это работает, как клетки идут наперекосяк, и определить «второстепенные» сигналы, которым нужно следовать. В будущей работе мы хотели бы увидеть, какие другие сигналы или сигналы клетки CVMследуют, которые ведут их к центральной нервной системе. Это может объяснить, почему определенные типы метастазов предпочтительно колонизируют другие ткани».
