Как разные клетки многоклеточного организма обретают свою идентичность, остается фундаментальной загадкой развития. Например, в глазу хрусталик содержит два типа клеток – эпителиальные клетки хрусталика и клетки волокон хрусталика, первый из которых дифференцируется во второй по мере созревания животного. Ученым давно известно, что фактор роста фибробластов, или FGF, ускоряет этот процесс. Теперь ученые из Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) обнаружили, что другой молекулярный сигнал действует как педаль тормоза, не позволяя клеткам дифференцироваться там, где они не должны.
Команда провела свои эксперименты с использованием рыбок данио, структура глаз которых в основном сохраняется у позвоночных, включая человека. Их результаты, опубликованные 15 октября 2018 г. в разделе «Разработка», дают новое представление о сложном процессе дифференцировки клеток.
"Ученым интересно узнать, как такая элегантная структура создается генетической программой," сказал профессор Ичиро Масаи, главный исследователь отделения нейробиологии развития в OIST.
Помимо демистификации развития линз, исследование может когда-нибудь помочь раскрыть патологию вторичной катаракты, наиболее частого осложнения хирургии катаракты у человека.
Дополнение к известным регуляторам
Сферическая линза в основном состоит из оптоволоконных ячеек линзы, расположенных в плотно упакованной сердцевине. Эпителиальные клетки хрусталика покрывают внешнюю поверхность передней половины хрусталика и обращены наружу от тела. По мере пролиферации эпителиальных клеток хрусталика они мигрируют в обратном направлении, дифференцируются в клетки волокон хрусталика и интегрируются в существующую сердцевину волокна хрусталика.
Переключение с одного типа клеток на другой происходит во время этой миграции, когда эпителиальные клетки пересекают четкую границу, известную как "экватор." Молекулярные сигналы подталкивают клетки к дифференцировке в клетки волокон хрусталика, когда они пересекают эту линию. Один из важнейших намеков – FGF. Хотя FGF усиливает дифференциацию волокон хрусталика, Масаи задавался вопросом, существует ли дополнительная система, которая подавляет его.
"Переход от эпителиальных клеток к волокнистым происходит очень точно на экваторе – я думал, что должен быть какой-то настраивающий механизм, чтобы гарантировать специфическое для экватора начало," сказал Масаи. "Возможно, как только эпителиальные клетки пересекают экватор, они освобождаются от этого тормозного механизма и получают возможность дифференцироваться."
Исследователи из отдела нейробиологии развития OIST поддерживают живую библиотеку мутантных рыбок данио для подобных исследований. Среди сотен мутантов они выбрали одного с уникальным аномальным развитием хрусталика. Эпителиальные клетки хрусталика обычно выстраиваются в один сплошной слой, но у мутантов клетки накапливаются в беспорядочной массе. Это потому, что мутировавший ген заставляет эпителиальные клетки хрусталика дифференцироваться независимо от воздействия FGF и без необходимости пересекать экватор.
Ген обычно кодирует белок, известный как "белок, связанный с сортировкой вакуолярного белка 45," или VPS45. VPS45 помогает перемещать поступающие материалы через клетку, направляя их к специализированным органеллам для разложения или обратно к клеточной мембране для вторичной переработки. Недавние исследования показывают, что эта система трафика модулирует сигнальные пути внутри клетки, которые, в свою очередь, регулируют процессы развития.
Однако при мутации гена нормальное развитие хрусталика нарушается. Специфические сигналы, которые поддерживают клетки эпителия хрусталика, подавляются, в то время как сигналы, способствующие дифференцировке волоконных клеток, усиливаются.
Применение в базовой биологии и хирургии катаракты
В исследовании Масаи впервые описан механизм дифференцировки волокон хрусталика, не зависящий от FGF. Теперь он и его коллеги стремятся лучше понять, как VPS45 регулирует клеточную передачу сигналов в развивающемся хрусталике и как эти сигналы работают вместе для поддержки здорового развития. Их исследования могут в конечном итоге привести к медицинскому вмешательству на случай, если процесс пойдет не так.
Например, в новом исследовании ученые обнаружили, что сигнальный путь, называемый TGF-ß, усиливается у мутантных рыбок данио и вызывает аномальное развитие хрусталика. Также было показано, что передача сигналов TGF-ß способствует вторичной катаракте, но ученые пока не понимают, почему.
Во время операции по удалению катаракты мутный хрусталик пациента заменяется искусственным. Операция восстанавливает зрение пациента, но также может вызвать врожденную реакцию заживления в эпителиальных клетках хрусталика. Пытаясь залечить рану, клетки трансформируются в миофибробластические клетки или клетки волокон хрусталика и, как следствие, затуманивают новый хрусталик пациента. Обладая более глубоким пониманием факторов, влияющих на развитие линз, ученые могли избежать вторичной катаракты до того, как они начнутся.
"Как только мы поймем этот основной механизм," сказал Масаи, "мы могли бы разработать терапию для подавления патологического процесса вторичной катаракты."