Форма и размер эмбриона контролируются независимо друг от друга

Ключевым этапом раннего эмбрионального развития животных является гаструляция — процесс, в ходе которого из однородного слоя клеток (бластодермы) формируются три основных зародышевых листка: эктодерма, мезодерма и энтодерма, а также закладываются оси тела будущего организма. В этот период клетки и ткани перемещаются; их движение и взаимодействие приводит к изменению размера и формы эмбриона. Однако механизмы, определяющие эти процессы, оставались недостаточно понятны. Авторы статьи в Nature Communications показали, что размер и форма эмбриона птицы регулируются двумя независимыми механизмами.

Первый механизм отвечает за размер эмбриона и основан на конкуренции между двумя силами: расширением внеэмбриональных тканей наружу и сокращением эмбриональных тканей внутрь под действием белка миозина. Этот процесс можно сравнить с «перетягиванием каната» между различными частями развивающегося организма.

Второй механизм контролирует изменение формы эмбриона с круглой на грушевидную и связан с активными перестройками клеток в мезодерме. Этот процесс происходит независимо от первого и может происходить, даже если расширение внеэмбриональных тканей заблокировано.

При помощи математического моделирования ученые идентифицировали и охарактеризовали механистические основы двух различных геометрических изменений. Каждое из них связано с динамическими кривыми, вдоль которых разделяются траектории клеток — так называемыми кинематическими репеллерами (R). Динамическая реконструкция морфогенеза позволила визуализировать два репеллера: R1 (граница эбриона и внеэмбриональных тканей, EP-EE) и R2 (разделение передней/задней мезодермы).

Динамика и разновидности структурных перестроек в эмбрионе птицы.
Credit:
Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60249-8 | CC BY

Опыты проводили на курином эмбрионе, и экспериментальная проверка показала любопытные результаты. Когда исследователи блокировали расширение внеэмбриональных тканей, эмбрионы сохраняли способность изменять форму, но теряли один из репеллеров. Наоборот, при блокировании формирования мезодермы эмбрионы сохраняли круглую форму, но продолжали контролировать свой размер.

Для изучения роли эпиболии (внешнего расширения внеэмбриональных тканей) исследователи разработали инновационную технику прижигания внутренней поверхности желточной оболочки с помощью микроскопического паяльника. Этот метод создавал фиксированную границу, предотвращая адгезию краевых клеток к желточной мембране мембране, что полностью блокировало радиальное расширение эмбриона.

Формирование мезодермы блокировали с помощью ингибитора FGF-рецепторов, что предотвращало конвергентное расширение клеток-предшественников. Иммуноокрашивание на миозин подтверждало сохранение изотропной сократительной активности в эмбриональной области даже при отсутствии мезодермальной индукции.

Интересно, что эмбрионы, ограниченные в расширении, продолжали нормально развиваться и формировать пропорциональные структуры тела, хотя и с более короткой осью. Это свидетельствует о том, что процесс эпиболии может быть не столь критичным для ранних стадий развития, как считалось ранее.

Ученые планируют перенести исследования на другие виды позвоночных, чтобы выяснить, являются ли обнаруженные механизмы универсальными или специфичными для птиц. Это поможет понять фундаментальные принципы развития многоклеточных организмов и их применимость в биомедицинских технологиях.

Эмбрионы рыб сами решают, когда им появиться на свет