Сотрудники ИБХ РАН совместно с коллегами из НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского 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 взаимного проникновения (диффузии) белков-морфогенов, которое возникает из-за разного связывания биологически активных веществ (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. Исследования поддержаны Российским научным фондом.

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».

Снежана Мажекенова

Снежана Мажекенова

«Усложнение эмбриона можно упрощенно 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 счет 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. Белозерского МГУ. — Ранее мы показали, что в процессе диффузии в межклеточном пространстве разные морфогены могут с разной силой связываться с протеогликанами, особыми белками внеклеточного матрикса (вещества)».

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

«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 желтый цвет с многочисленными черными 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 создает предпосылки для развития математических моделей все более разнообразных морфологических форм в эмбриогенезе. Сейчас исследователи работают над его дальнейшим экспериментальным подтверждением.