Пресс-центр / новости / Наука /

Российские учёные разработали математическую модель возникновения эмбриональных структур

Сотрудники ИБХ РАН совместно с коллегами из НИИ ФХБ им. А.Н. Белозёрского МГУ и ФИАН предложили новый механизм самоорганизации динамических пространственных структур в эмбриогенезе. С помощью математического моделирования авторы показали, что такая самоорганизация может происходить благодаря существенной разнице в скоростях диффузии белков-морфогенов, которое возникает из-за разного связывания морфогенов на внеклеточном веществе. Опубликованные в журнале PLOS ONE результаты работы создают предпосылки для развития других моделей, описывающих возникновение многообразия форм на ранних стадиях развития организма.

эмбриогенез, морфоген, модель, пресс-релиз

julek022@mail.ru

На ранних стадиях развития органы эмбриона состоят из множества одинаковых клеток, которые затем становятся сложными пространственными структурами и их размеры намного превышают размеры самих клеток. Каким образом это происходит? Считается, что подобные структуры формируются в результате динамической самоорганизации, в которой важную роль играют белки-морфогены, выделяемые клетками и распространяющиеся на большие расстояния. Одно из необходимых условий самоорганизации – нахождение системы вдали от состояния  равновесия, то есть в условиях сильной диссипации (рассеяния) энергии. Поэтому подобные структуры, образующиеся в ходе самоорганизации, часто называют «диссипативными».

«Усложнение эмбриона можно упрощённо свести к его закономерному подразделению на территории, состоящие из по-разному дифференцированных клеток, то есть тех, которые обладают разными функциями, играют разные роли в организме. Во многих случаях инструкции к такой упорядоченной в пространстве дифференцировке клетки тканей зародыша получают благодаря образованию диссипативных структур. Они, как правило, выглядят как градиенты концентраций белков-морфогенов. В результате клетки эмбриона, расположенные на разных расстояниях вдоль такого градиента, подвергаются воздействию  разных  концентраций морфогена, например, гормонов и, таким образом, получают сигналы к дифференцировке в разных направлениях», – рассказывает Андрей Зарайский, руководитель Лаборатории молекулярных основ эмбриогенеза Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова (ИБХ) РАН.

Известно, что сложные структуры возникают, когда есть как минимум два диффундирующих и нелинейно взаимодействующих морфогена с резко различающимися  коэффициентами диффузии, то есть скоростью проникновения одного вещества в другое. Однако реальные белки-морфогены имеют близкие размеры и примерно одинаковую подвижность в водном растворе.

«За счёт чего достигается необходимая для самоорганизации диссипативных структур разница между скоростями диффузии морфогенов? Этот вопрос долгое время оставался открытым, – рассказывает Алексей Нестеренко, первый автор работы, сотрудник лаборатории молекулярных основ эмбриогенеза ИБХ РАН и Института физико-химической биологии им. А.Н. Белозёрского МГУ. – Ранее мы показали, что в процессе диффузии в межклеточном пространстве разные морфогены могут с разной силой связываться с протеогликанами, особыми белками внеклеточного матрикса».

Исследователи предположили, что именно эта разница в неспецифическом связывании морфогенов может обеспечивать значительную разницу в их скоростях диффузии.

Автор: Снежана Мажекенова.

«С помощью математической модели мы продемонстрировали, что в системе из двух одинаково подвижных морфогенов добавление условия адсорбции одного из них на внеклеточном матриксе  действительно дает возможность получать пространственные структуры по механизму динамической самоорганизации», – рассказывает Максим Кузнецов, один из авторов работы, сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева.

Применение новой модели авторы рассмотрели на различных примерах, в том числе на окраске сомика-кукушки.

«Эта рыба из семейства перистоусых окрашена в жёлтый цвет с многочисленными чёрными пятнами, которые разбросаны по всему телу. Разработанная нами модель хорошо объясняет формирование и закономерное уменьшение пятен его окраски по направлению от хвоста к голове», – говорит Дарья Короткова, один из авторов, студентка МГУ, выполняющая дипломную работу в Лаборатории молекулярных основ эмбриогенеза.

Разработанный подход создаёт предпосылки для развития математических моделей всё более разнообразных морфологических форм в эмбриогенезе. Сейчас исследователи работают над его дальнейшим экспериментальным подтверждением.

(автор: Надежда Куликова)

22 февраля 2017 года