Białko „Lefty” wzmacnia kontrolę nad rozwojem embrionalnym

Białko znane jako Lefty napędza hamulce, gdy ludzkie embriony zaczynają różnicować się w kości, tkanki miękkie i narządy, które nas tworzą.

Według biologów z Rice University, to białko inhibitorowe ma kluczowe znaczenie we wczesnych stadiach życia, kiedy los embrionalnych komórek macierzystych jest określany przez szlak sygnalizacyjny Nodala.

Eksperymenty przeprowadzone przez laboratorium Rice’s Aryeh Warmflash i prowadzone przez badaczkę z tytułem doktora Lizhong Liu po raz pierwszy zwizualizowały mechanizm interakcji Nodala i Lefty’ego w celu określenia przyszłego planu ciała embrionalnego ssaka.

Ich wyniki pojawiają się w ogólnodostępnym czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.

Badanie pokazuje nie tylko, w jaki sposób molekuły sygnalizacyjne Nodal, znane jako morfogeny, są utrzymywane w ryzach przez Lefty’ego, ale także, że białka Nodal są przekazywane bezpośrednio z komórki do komórki, wyzwalając transkrypcję nowych Nodal przez biorcę. Jednocześnie fala transkrypcji Lefty’ego jest przejściowo wyzwalana w komórkach, gdy po raz pierwszy otrzymują węzeł, regulując prędkość fali.

„Zasadniczo pokazujemy, że zamiast gradientów tworzących białka i instruujących komórki, aby stały się różnymi typami komórek, zaangażowane cząsteczki w ogóle nie dyfundują” – powiedział Warmflash. „Zamiast tego komórki przekazują sygnał tak, że każda komórka wytwarza sygnał i przekazuje go sąsiadowi, co powoduje, że sąsiad go wyprodukuje i tak dalej. To trochę jak gra telefoniczna”.

Unikalny model eksperymentalny opracowany przez Warmflash i jego zespół przez wiele lat pozwala im zobaczyć wczesne etapy gastrulacji, podczas których zachodzą początkowe etapy różnicowania. Okrągłe kolonie komórek nie przypominają embrionów i postępują zgodnie z ustaloną etyką, ale komórki komunikują się i reagują w realistyczny sposób, różnicując się w trzy charakterystyczne listki zarodkowe — ektodermę, mezodermę i endodermę — od środka w kierunku krawędzi.

Ale do tej pory wizualizacja białka Nodal była problemem. W nowym badaniu Liu znalazł sposób na dodanie fluorescencyjne tagi do białka Nodal, które w żaden sposób nie naruszyło gastrulacji.

„Musieliśmy mieć pewność, że znacznik fluorescencyjny nie wpływa na funkcję” — powiedział Liu, który spędził dwa lata na poszukiwaniu rozwiązania. „Ponieważ znacznik jest tak duży – w zasadzie połowa połączonej cząsteczki z białkiem Nodal – nie wiedzieliśmy, czy wpłynie to na wydzielanie (przez komórki) czy dyfuzję”.

Po upewnieniu się, że znacznik jest łagodny, laboratorium zaczęło śledzić progresję Nodala do 42 godzin w różnych konfiguracjach kolonii oraz z dwoma ludzkimi wariantami Lefty’ego lub bez nich. Odkryli, że bez obecności Lefty’ego dyfuzja węzłowa w kierunku centrum kolonii postępuje znacznie szybciej.

Liu powiedział, że możliwość śledzenia poszczególnych białek w systemie ssaków może doprowadzić do odkrycia mechanizmów, dzięki którym morfogen i jego inhibitor przejmują swoje terytoria.

Tradycyjnie uważa się, że wzorce powstają, ponieważ niektóre białka dyfundują szybciej niż inne, powiedział Liu. Lokalna aktywność Nodala może spowodować wytwarzanie Lefty’ego, który rozprzestrzenia się dalej niż Nodal i ogranicza sygnał do terytorium o określonej wielkości, teoria, która, jak powiedział, nie została rygorystycznie przetestowana.

Ku zaskoczeniu naukowców bezpośrednia obserwacja cząsteczek endogennych nie wykazała oznak dyfuzji węzłowej. Zamiast tego fala, która porusza się do wewnątrz, jest wynikiem nowych białek Nodal wytwarzanych przez każdą komórkę, co następnie powoduje, że sąsiad robi to samo.

Laboratorium było w stanie udowodnić, że jest to niezbędne dla fali, tworząc komórki pozbawione białka Nodal. Komórki te mogły odbierać sygnał, ale nie przekazywać go swoim sąsiadom.

Naukowcy odkryli również, że chociaż Lefty nie dyfundował w swoich eksperymentach gastrulacji, może poruszać się w znacznie większym zakresie w innych kontekstach.

„Chcemy zrozumieć, co determinuje dyfuzyjność białek Lefty’ego w sposób zależny od kontekstu” – powiedział Liu. „Czy to dlatego, że te dwa warianty ludzkiego Lefty’ego wykazują różne wzorce dyfuzyjności i ekspresji? Odpowiedź na to pytanie jest trudna, ponieważ są one bardzo podobne zarówno na poziomie DNA, jak i aminokwasów. Będziemy musieli znaleźć sposób na ich rozróżnienie.

„Kolejną rzeczą, która nas interesuje, jest to, jak Nodal i Lefty współpracują z innymi kofaktorami w celu zdefiniowania osi ciała” – powiedział. „Gdzie jest głowa, gdzie jest ogon, gdzie jest lewa i prawa strona? Wiemy, że Nodal współpracuje z koreceptorami, aby to zrobić u danio pręgowanego, ale u wyższych ssaków komórki, współreceptor może być zasadniczo inny”.