Учёные научились выращивать культуры тканей в органоиды и эмбриоиды. Это усилило интерес к тому, как контролируется рост тканей во время развития эмбриона.

Известно, что рост ткани направляется диффузией сигнальных молекул — морфогенов. Но было непонятно, как их градиент приводит к появлению доменов в образующейся ткани.

Сатоши Тода из Университета Канадзавы NanoLSI (сейчас Университет Осаки, Институт исследования белков), Косуке Мизуно из NanoLSI и Цуёши Хирашима из Национального университета Сингапура создали модельную систему SYMPLE3D. Она помогает понять этот процесс.

Предыдущие исследования рассматривали роль морфогенов и клеточной адгезии в процессе роста тканей по отдельности.

Исследователи обратили внимание на несколько недавних работ, где говорилось о том, как морфоген, участвующий в формировании нервной трубки, контролирует экспрессию белков адгезии — кадхеринов, чтобы сформировать чёткие структуры. На основе этих идей была разработана модельная система для изучения взаимодействия между морфогенами и кадхеринами.

Авторы работы подчёркивают, что морфогены вызывают многочисленные изменения клеточных свойств одновременно, поэтому трудно понять, что именно происходит. Поэтому они разработали SYMPLE3D — синтетический биологический подход для изучения паттернинга тканей и создания органоидных структур.

В SYMPLE3D есть два типа клеток:

• секреторы GFP, которые выделяют GFP и образуют сфероиды-органоиды;
• клетки-приёмники GFP (imC), изначально сконструированные для экспрессии синтетического рецептора synNotch. Он распознаёт GFP и вызывает репортер mCherry.

На первом этапе ученые исследовали совместное культивирование секреторных и рецепторных клеток GFP.

Выяснилось, что клетки imC захватывают секретируемый GFP, образуя градиент GFP. Но в этом градиенте есть эктопически активные клетки с высоким уровнем экспрессии репортёра mCherry в неподходящей позиции.

Чтобы решить эту проблему, Мизуно и Тода создали GFP-ресиверные клетки, которые индуцировали слитый с mCherry E-кадхерин — молекулу клеточной адгезии. Неожиданно вместо градиента между секреторными и реципиентными клетками появился равномерно активированный тканевый домен с резкой границей.

Граница была устойчива к изменениям условий роста. Они сосредоточились на механизме формирования паттерна при сочетании молекулярного градиента и E-кадхерина в своей модельной системе.

Наблюдая за ростом ткани в реальном времени, они увидели, как активированные клетки-приёмники GFP, сконструированные для синтеза E-кадхерина, который был объединён с mCherry, сначала были рассеяны, а потом объединились.

Затем активные клетки постепенно поглощались этим доменом. В результате появилась чёткая граница между положительным и отрицательным доменами mCherry.

Они также отметили особенность распределения E-cadherin-mCherry: оно было равномерным по всей активной области, в то время как GFP распределялся с градиентом.

Исследователи проанализировали поведение клеток, которые экспрессировали разные уровни E-кадхерина в ответ на разное количество GFP. Оказалось, что поведение было одинаковым независимо от уровня E-кадхерина.

Клетки, которые производят определённое количество E-кадхерина, могут смешиваться и образовывать единую популяцию независимо от уровня экспрессии.

Клетки с разными уровнями E-кадхерина смешивались в градиенте GFP. Это позволяло клеткам получать GFP равномерно, а уровень экспрессии E-кадхерина становился высоким в области синтетической ткани.

Математическая модель, разработанная Хирашимой, подтвердила экспериментальные наблюдения. Она основана на движении клеток, регулируемом энергией адгезии.

Авторы пришли к выводу, что можно запрограммировать новый тканевый домен с чёткими границами в органоидах, сочетая синтетические морфогены с контролем клеточной адгезии.

Результаты опубликованы в EMBO Reports.