Чувствуя давление от соседей, эмбриональные клетки включают гены, помогающие сформироваться нормальному зародышу.

Долгое время считалось, что эмбриональное развитие зависит только от химических сигналов, которые клетки посылают друг другу: в них то включаются, то выключаются те или иные гены, из клеток выходят разные регуляторные белки, которые действуют на соседей, и такие сигналы зависят только от концентрации регуляторных белков, скорости их синтеза и утилизации и т. д.

Эмбрион актинии Nematostella vectensis, сформировавший многослойную стенку. (Фото: Sabrina Kaul-Strehlow / University of Vienna)

Актиния Nematostella vectensis. (Фото: Smithsonian Environmental Research Center / Flickr.com) 

Но ведь клетки в эмбрионе сидят довольно тесно друг к другу и должны чувствовать физический контакт. Очевидно, из давления друг на друга они могли бы сделать какие-то выводы о том, как им дальше развиваться.

Действительно, есть такой феномен под названием механотрансдукция, когда механическое напряжение преобразуется в молекулярный сигнал, и сейчас уже известно, что механотрансдукция играет большую роль в общении эмбриональных клеток друг с другом.

Однако большинство таких исследований выполняется на клеточных культурах. Екатерина Пухлякова и ее коллеги из Венского университета продемонстрировали, что механические силы работают не только на культуре клеток, но и в полноценном эмбрионе.

Они экспериментировали с зародышем актинии – как и у подавляющего большинства многоклеточных животных, зародыш актинии на самых ранних стадиях развития представляет собой полый шарик – бластулу, в котором затем появляется впячивание, и стенки шарика становятся двуслойными (как у кишечнополостных, к которым относятся и актинии) или трехслойными (как у большинства других животных); шарик со слоистыми стенками называется гаструла.

При формировании гаструлы большую роль играет ген brachyury – он кодирует белок, который во многом определяет формирование центральной оси тела и вообще устройство зародыша.

При этом сам brachyury зависит от работы других белков, например, от сократительного белка миозина. Он работает вместе с белками цитоскелета и помогает клеткам менять форму, двигаться, перемещать внутри себя молекулярные грузы и пр. Когда миозин отключали, переставал работать и brachyury, и зародыш получался с дефектами.

Однако, как пишут исследователи в PNAS, если на эмбрион давили – давили в прямом смысле – то ген brachyury включался и начинал работать. Здесь большую роль играл белок бета-катенин, который, в свою очередь, может связываться одновременно с цитоскелетом и с белками, отвечающими за межклеточный контакт.

У бета-катенина много функций, он участвует в некоторых важных сигнальных путях, но в данном случае он, очевидно, как раз помогает превратить внешнее механическое напряжение в сигнал, активирующий зародышевый ген. Возможно, что такой механизм работает и в обычных условиях, когда не нужно спасать зародыш от каких-то мутаций (напомним, что в эксперименте у эмбрионов не работал миозин).

Механотрансдукцию с участием бета-катенина наблюдали и у других животных, включая дрозофил и рыб. Но актинии сильно древнее и тех, и других, так что можно с определенной уверенностью говорить, что механический способ регуляции генетической активности появился еще до того, как разошлись эволюционные пути актиний, позвоночных и насекомых – то есть не позже 600 млн лет назад.

Напоследок стоит сказать, что эмбриональные клетки – не единственные, чья судьба зависит от механических сил. Год назад мы писали о том, как обычные клетки эпителия реагируют друг на друга: если их мало, они делятся, если же вокруг все перенаселено, они гибнут, и ключевым сигналом тут опять же служит механическое напряжение, правда, чувствует его другой белок под названием Piezo1.