Механические силы как драйвер эволюции

Головная борозда — складка эпителия, формирующаяся на границе головы и туловища эмбриона мушки Drosophila melanogaster во время гаструляции. Она уникальна тем, что не дает начала никаким структурам и позже исчезает. Авторы статьи в Nature задались целью определить функции этой временной, но, по-видимому, крайне важной для нормального эмбриогенеза структуры.

Формирование головной борозды контролируют три гена — buttonhead (btd), even skipped (eve) и paired (prd). Исследователи проанализировали эмбриональное развитие дрозофил с мутациями в этих генах. Они обнаружили, что у мутантов с потерей функции генов btd и eve инициаторные клетки, которые в норме укорачиваются, чтобы дать начало складке, этого не делают, и головная борозда не формируется. Вместо этого спонтанно образуются эктопические складки на границе туловища и головы. Такие складки часто формировались рядом с митотическими доменами — группами клеток бластодермы, которые синхронно входят в митоз во время 14-го ядерного цикла (через 20 минут после начала гаструляции).

Формирование эктопических складок не находилось под строгим генетическим контролем. Оно протекало одновременно с ростом митотических доменов и растяжением зародышевой полоски. Во время деления клетки округляются и расширяются в апикальной части, сжимая соседние неделящиеся клетки — это предшествует образованию складок. Исследователи пришли к выводу, что митотические домены и растяжение зародышевой полоски — два ключевых процесса, создающих напряжение сжатия, которое, в свою очередь, может приводить к механической дестабилизации эпителия. Функция головной борозды, по-видимому, состоит в снижении этого напряжения.

В эксперименте с лазерной абляцией разрезание мембран эпителиальных клеток на границе туловища и зародышевой полоски приводило к «схлопыванию» ткани, подтверждая, что на нее действуют силы сжатия.

Чтобы убедиться в предполагаемом механизме образования складок, авторы для начала нарушили образование митотических доменов. Для этого они создали двойных мутантов — с потерей функции генов btd и string (stg). Последний кодирует ортолог фосфатазы cdc25, которая регулирует формирование митотических доменов у Drosophila. Выяснилось, что в отсутствие митотических доменов эктопические складки не формировались. Затем ученые заблокировали растяжение зародышевой полоски с помощью лазерной коагуляции, «пришив» таким образом задний конец эмбриона к вителлиновой (желточной) оболочке. В эмбрионах дрозофил дикого типа это не блокировало формирование головной борозды. У мутантов по btd или eve эктопические складки не образовывались, но происходило расширение митотических доменов. Таким образом, процессы в отдельности не приводили к образованию складок, а их совместное действие деформировало эпителий. Степень деформации количественно оценивалась по показателю извилистости — отношению длины контура эпителия к длине прямой линии между его концами.

Для количественной оценки вклада каждого фактора ученые создали физическую модель механики складывания эпителиального монослоя. В ней эпителий представили как сеть частиц, соединенных пружинами, митотические домены — как области с более высокой плотностью частиц, стремящиеся к расширению, зародышевую полоску — как статичную границу, сжимающую ткань, а головную борозду — как область с заданной отрицательной кривизной, стремящуюся к инвагинации. Ключевым параметром была безразмерная величина ­— жесткость при изгибе. Модель подтвердила, что эктопические складки образуются только при определенной комбинации жесткости ткани, расширения зародышевой полоски и митотических доменов. Она предсказала, что головная борозда наиболее эффективно предотвращает образование эктопических складок, если формируется раньше митотических доменов и располагается в центральной части антеропостериорной оси (между 40% и 60% длины эмбриона). Формирующаяся головная борозда действует как механический буфер при компрессионном напряжении, что стабилизирует эпителий.

Затем авторы задались целью выявить генетический механизм, контролирующий положение и момент формирования борозды, и отследить его эволюцию. Для этого они изучили паттерны экспрессии в эмбрионах дрозофилы и обнаружили, что факторы транскрипции sloppy paired (slp) участвуют в определении положения инициаторных клеток. На границе головы и туловища формировался комбинаторный код экспрессии генов btd, eve, slp и prd, отдельные сочетания в котором соответствовали различным частям головной борозды.

Сравнение двукрылых с головной бороздой (Drosophila, Ceratitis) и без нее (Anopheles, Clognia) показало, что у всех видов ранние домены экспрессии slp и eve, размечающие голову и туловище, консервативны. Различие состояло в том, что у видов без головной борозды на границе головы и туловища области экспрессии btd и eve не перекрывались. С эволюционной точки зрения это говорит о том, что появление головной борозды связано с пространственным изменением экспрессии btd и возникновением перекрывания экспрессии btd и eve.

Полученные результаты говорят о том, что головная борозда у дрозофилы — механический стабилизатор процесса гаструляции, а не рудиментарное или временное образование. Формирование головной борозды противодействует компрессионным напряжениям, которые формируются в тканях эмбриона на границе головы и туловища, и предотвращает дестабилизацию эпителия. Без данной структуры напряжения накапливаются, и силы, направленные наружу, вызывают деформацию ткани.

Исследование предоставляет эмпирическое доказательство того, что механические силы могут выступать драйвером эволюционных изменений. Невозможно полностью понять эволюцию формы без учета физических ограничений и возможностей, которые определяют, как она может изменяться в процессе развития.

Форма и размер эмбриона контролируются независимо друг от друга