Предыдущие исследования показали замечательные электрические паттерны в развивающихся эмбрионах, некоторые из которых действуют как чертежи тканей и органов, которые в конечном итоге принимают форму по мере созревания эмбриона. Электрические паттерны создаются клетками, закачивающими заряженные ионы в клеточную мембрану и из нее, создавая потенциал напряжения на мембранном барьере. По аналогии с клетками нервной системы, потенциалы мембранного напряжения распространяются через электрические синапсы и предоставляют клеткам возможность общаться со своими соседями и координировать деятельность.
Новое исследование, проведенное на мышиных и куриных эмбрионах, демонстрирует, что потенциалзависимый кальциевый канал (VGCC), встроенный в клеточную мембрану и запускаемый напряжением, позволяющий ионам кальция (Ca2 +) проникать в клетку, запускает экспрессию генов. которые направляют дифференцировку к зрелым клеткам.
Известно, что ионные каналы, управляемые напряжением, играют роль в формировании хряща трахеи, а мутации в VGCC также коррелируют с пороками развития у людей, включая синдактилию (слияние пальцев) у пациентов с синдромом Тимоти. В настоящее время исследование указывает на роль VGCC в «считывании» биоэлектрических паттернов эмбриона, чтобы установить генетический и белковый механизмы экспрессии, задействованные в развитии тела.
Исследователи изучили развивающиеся конечности как мышей, так и куриных эмбрионов и обнаружили, что, хотя зачаток конечности изначально гиперполяризован, с 1000-кратным количеством ионов кальция вне клеток, чем внутри, ядро растущей конечности становится деполяризованным по мере образования хряща; (ионы кальция поступают в клетки, чтобы нейтрализовать напряжение).
Они обнаружили, что деполяризация опосредуется VGCC, позволяя ионам кальция течь внутрь, что, в свою очередь, активирует генетический фактор транскрипции, называемый NFATc1, который, в свою очередь, инициирует экспрессию других генов, необходимых для дифференцировки в зрелые хрящевые клетки. Исследованный VCGG (Cav1.2), как было установлено, необходим для нормального образования хряща, в то время как было подтверждено, что NFATc1 способствует дифференцировке хрящевых клеток in vitro.
Глядя на роль Cav1.2 более подробно исследователи обнаружили, что он в первую очередь играет роль на ранних стадиях дифференцировки клеток в хрящ.
По словам исследователей, другие VGCC могут быть задействованы на более поздних стадиях развития, а другие факторы транскрипции могут быть активированы увеличением внутриклеточного кальция в процессе образования хряща и кости.
«Ясно, что, хотя мы обнаружили важную роль потенциалзависимых кальциевых каналов в считывании биоэлектрической структуры эмбриона, нам нужно будет продолжить работу, чтобы понять роль множества различных ионных каналов и генетических факторов на всех этапах развития», – сказал Клифф.
Табин, сотрудник Центра открытий Аллена в Тафтсе и председатель отдела генетики Института Блаватника при Гарвардской медицинской школе.
«Мы только начинаем понимать, как« программное обеспечение »эмбрионального развития (электрические паттерны) создается и интерпретируется« аппаратным обеспечением »(генами и белками клеток), чтобы клетки могли сотрудничать и организовываться в очень структурированный паттерн. – сказал Майкл Левин, профессор биологии Школы искусств и наук Ванневара Буша и директор Центра открытий Аллена в Тафтсе. «Наше сотрудничество с группой генетиков в лаборатории Табина расширяет эту область до очень важной модели, конечности позвоночного животного, и является отличной демонстрацией того, как мы можем лучше понять физику в биологии."
Другими авторами исследования являются: Юджи Ацута, первый автор и научный сотрудник, научный сотрудник, и Рэйко Томидзава, техник-исследователь, оба в лаборатории Табина.
Эта работа была поддержана программой Allen Discovery Center через The Paul G. Грант Allen Frontiers Group и Национальных институтов здравоохранения HD03443. Ацута является стипендиатом Фонда Наито и Японского общества содействия науке.
Авторы несут исключительную ответственность за содержание и не обязательно отражают официальную точку зрения Национального института здравоохранения.