Napięcia mechaniczne w zarodkach much: klucz do ewolucji?

Napięcia mechaniczne w zarodkach much: klucz do ewolucji?

Zespoły badawcze z Uniwersytetu w Hohenheim i Centrum RIKEN w Japonii przeprowadziły kompleksowe badanie naprężeń mechanicznych u zarodków much. Napięcia te powstają podczas rozwoju embrionalnego, kiedy komórki i tkanki zderzają się. Mogą mieć poważny wpływ na rozwój zwierząt. W tym badaniu zaobserwowano dwie różne strategie kontrolowania napięć wytwarzanych u różnych gatunków much.

Głównym przedmiotem badań jest gastrulacja – kluczowy etap rozwoju, w którym z prostych warstw komórek powstają złożone tkanki. Naprężenia mechaniczne mogą powodować śmiertelne deformacje i wady rozwojowe, które zagrażają morfogenezie. W szczególności u muszek owocowych (Drosophila melanogaster) stwierdzono, że tymczasowa bruzda głowy działa jak mechaniczny zbiornik zbiorczy. Jeśli powstanie tej struktury jest nieprawidłowe, dochodzi do poważnych wad rozwojowych głowy i układu nerwowego.

Różne strategie radzenia sobie z napięciem

Natomiast inne gatunki much, takie jak Chironomus riparius, opracowały inną strategię: ich komórki dzielą się ukośnie lub pionowo, zmniejszając w ten sposób nacisk na strukturę tkanki. Eksperymentalne zmiany w orientacji podziałów komórkowych mogą zapewnić prawidłowy rozwój embrionalny. Wyniki te zostały niezależnie potwierdzone przez grupę roboczą w Instytucie Maxa Plancka w Dreźnie i pokazują, że ewolucja przyniosła różne rozwiązania problemu naprężeń mechanicznych.

Znaczenie naprężeń mechanicznych może być daleko idące. Mogą odgrywać kluczową rolę w powstaniu nowych planów ciała podczas ewolucji. Wyniki badań opublikowano w renomowanym czasopiśmie Nature i dostarczają głębokiego wglądu w mechanizmy biofizyczne wpływające na rozwój embrionalny.

Gastrulacja i morfogeneza

Gastrulacja, proces morfogenetyczny, powoduje przestrzenną organizację blastomerów w trzy listki zarodkowe (ektoderma, mezoderma, endoderma). Proces ten charakteryzuje się wewnętrzną restrukturyzacją niektórych komórek z warstwy zewnętrznej, co osiąga się poprzez zmiany kształtu komórek, zwłaszcza skurcz wierzchołkowy. U Drosophila inwazja mezodermy i endodermy występuje jako zbiorcze jednostki tkanki, a nie jako pojedyncze komórki.

Kluczem do zrozumienia tych procesów jest rola specyficznych składników sygnalizacyjnych, takich jak morfogen Spätzle, który ustala gradient aktywności transkrypcyjnej. Prowadzi to do ekspresji złożonej gastrulacji i T48. Czynniki te są kluczowe dla zmian kształtu wierzchołka wymaganych do gastrulacji. Aktyny i miozyna 2 to podstawowe białka kontrolujące właściwości skurczowe komórek, promując w ten sposób funkcję rzeźbienia tkanek.

Innym interesującym odkryciem jest to, że mechaniczne sprzężenie zwrotne wpływa na kształt i zachowanie komórek podczas gastrulacji. Dzieje się to poprzez napięcie kontrolujące organizację i siłę skurczu miozyny 2. Taka dynamika jest kluczowa dla utrzymania integralności tkanki i promowania skoordynowanych ruchów morfogenetycznych.