Гидроразрыв меняет эмбриону симметрию

Гидравлические силы, разрывающие межклеточные контакты, помогают зародышевым клеткам перегруппироваться и перейти на следующий этап развития.

После оплодотворения получившийся зародыш начинает быстро делиться, превращаясь в шар из клеток. Но шар из клеток – это только начало: если мы возьмём зародыш млекопитающих, то увидим, как в зародыше возникает полость, заполненная жидкостью, а клетки группируются на одном из его полюсов (это не считая тех, которые составляют стенку зародыша). Впоследствии те клетки, которые составляют стенку пузырька-зародыша (они называются трофобластом), помогают ему имплантироваться в стенку матки и сформировать плаценту.

Сам зародыш дальше будет развиваться из внутренней клеточной массы – тех клеток, которые сгруппировались на одном из полюсов. Превращаясь из сплошного клеточного шара в пузырёк, зародыш меняет симметрию, и если раньше он был радиально-симметричен, то теперь у него появляется ось двусторонней симметрии. И до сих пор было не совсем ясно, как получается полость и как клетки перегруппировываются при смене симметрии.

Исследователи из французского Национального центра научных исследований рассмотрели с помощью микроскопа, что происходит в зародыше мыши на ранних этапах развития. Они увидели, как между клетками появляются крохотные пузырьки-трещины: мембраны клеток в разных местах разрывали межклеточные контакты. Клетки держатся друг за друга с помощью разных белков, и один из самых важных – это так называемый Е-кадгерин. Работая клеточной «скрепкой», кадгерин не просто удерживает клетки вместе, от него также зависит деление и передача сигналов между клетками. Когда между зародышевыми клетками появляются микроразрывы, молекулы кадгерина перегруппировываются на клеточной мембране, а значит, меняется структура контактов, которые есть у клетки и которые она могла бы сформировать.

Но и сами микроразрывы меняются, некоторые съёживаются и закрываются обратно, а некоторые набухают и сливаются с другими, образуя всё более крупные пузырьки между клеточными мембранами. Это можно сравнить с тем, как сбегаются вместе капли масла (в статье в Science авторы пишут, что происходящее в зародыше подобно переконденсации в жидких и твёрдых золях). Поведение микроразрывов зависит от свойств окружающих клеток, от того, насколько они способны сжиматься и сокращаться. В результате объединения микропузырьков получается тот самый большой пузырь, о котором мы говорили в начале и который называется бластоцель.

Но откуда берутся сами микротрещины? Это не что иное, как гидравлические разрывы: в межклеточный контакт нагнетается жидкость, и контакт рвётся. Жидкость приходит не из клеток, а из среды вокруг зародыша, а приходит она из-за осмотического градиента, то есть из-за разности в концентрациях веществ в зародыше и вне его.

Жидкость поступает в зародыш, но его клетки сохраняют постоянный объём, несмотря ни на что, и поэтому жидкость устремляется в межклеточное пространство. Это очень похоже на фрекинг, или гидравлический разрыв пласта (один из способов добычи нефти и газа, когда в породу с полезными ископаемыми под давлением закачивается специальная субстанция, создающая трещину, в которую собраться нефть или газ), и вполне можно сказать, что развитие эмбриона млекопитающих на каком-то этапе происходит посредством гидравлического разрыва. Поскольку гидравлические силы, как мы сказали, зависят от концентрации растворённых веществ, авторы работы отключали у зародыша молекулярные механизмы, которые транспортировали разные вещества в зародыш и внутри зародышевых клеток. С отключёнными системами транспорта разность концентраций уже не обеспечивала приток жидкости, и никаких микротрещин не формировалось.

Хотя эксперименты ставили с эмбрионами мышей, скорее всего, такой же гидравлический разрыв происходит и в человеческом эмбрионе. И поскольку от этого зависит дальнейшее развитие зародыша, можно предположить, что если «эмбриональный фрекинг» пойдёт не так, то эмбрион будет развиваться с аномалиями – но если мы будем больше знать об «эмбриональном фрекинге», то сможем такие аномалии предотвращать. 

По материалам Phys.org.