Слева направо: реснички как клеточное ядро.

Хотя человеческое тело внешне симметрично по оси лево-право, существуют замечательные лево-правые асимметрии в форме и расположении большинства внутренних органов, включая сердце, легкие, печень, желудок и мозг.

Известно, что лево-правосторонняя асимметрия устанавливается во время раннего эмбриогенеза небольшим скоплением клеток, называемым лево-правым организатором. Внутри этого организатора подвижные реснички, похожие на волоски структуры на клеточных поверхностях, быстро бьются, создавая направленный влево поток внеклеточной жидкости, что является первым внешним признаком различия между левым и правым.

Было показано, что этот ранний поток имеет решающее значение для различения правых и левых; однако, как этот поток ощущается и транслируется в лево-правую асимметрию, неизвестно.

Новое исследование, проведенное учеными из MGH, теперь показывает, что реснички в органайзере действуют как создатели потока — они также действуют как датчики биомеханических сил, прилагаемых потоком для формирования лево-правого плана тела развивающегося эмбриона.

Выводы были опубликованы в журнале Наука.

«Почти 25 лет работы многочисленных групп показали, что реснички и потоки в организаторе абсолютно необходимы для установления лево-правой асимметрии тела», — говорит Шиаулу Юанькандидат медицинских наук, исследователь Центр сердечно-сосудистых исследований в Массачусетской больнице общего профиля и доцентом медицины Гарвардской медицинской школы, а также старшим автором исследования. «Но у нас не было нужных инструментов или методов, чтобы окончательно изучить, как все это работает».

Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали рыбок данио в качестве модели для развития левого и правого и использовали новый набор оптических инструментов, состоящий из специально разработанной микроскопии и анализа машинного обучения.

Их подход был уникальным, поскольку они разработали и внедрили оптический пинцет — биофизический инструмент, использующий свет для удерживания и перемещения микроскопических объектов, похожий на притягивающий луч, — который впервые позволил точно передавать механическую силу на реснички неповрежденного живого животного.

Используя эти инструменты, исследователи обнаружили, что реснички являются механосенсорами клеточной поверхности, которые важны для лево-правой асимметрии развивающегося тела и таких органов, как сердце.

Используя оптический пинцет для приложения механической силы к ресничкам в лево-правом организаторе рыбок данио, они показали, что подмножество ресничек-организаторов воспринимают и переводят силы потока в кальциевые сигналы, которые контролируют развитие лево-право у рыбок данио.

Дефекты лево-правой асимметрии связаны с многочисленными заболеваниями человека, включая синдром гетеротаксии, первичную цилиарную дискинезию и врожденный порок сердца.

«Знания, полученные в результате этого исследования, не только улучшают наше понимание фундаментальных клеточных процессов, управляющих развитием человеческого тела, но и могут открыть новые возможности для разработки новых методов диагностики этих заболеваний», — говорит Юань. «Кроме того, эта работа может проложить путь к таргетной терапии передачи сигналов ресничками и механосенсорного восприятия для улучшения результатов».

Юань и его коллеги продолжают исследовать молекулярные механизмы, управляющие восприятием силы ресничками. Они также продолжают разрабатывать новые стратегии для визуализации и манипулирования передачей сигналов ресничками с долгосрочной целью разработки новых инструментов для лечения нарушений, связанных с ресничками.

«Эти результаты и инструменты, которые сделали это возможным, открыли новое окно в паттерны развития эмбриона, а также открыли ящик Пандоры», — говорит Скотт Э. Фрейзер, проректор биологии и биоинженерии Южного университета. Калифорния и соавтор этого исследования. «Это напоминает нам, что нам еще многое предстоит узнать о том, как передача сигналов ресничками и механобиология влияют на развитие и болезни».

Среди других авторов MGH и Гарвардской медицинской школы Лидия Дженун, Мохаммед Махамдех и Кристофер Нгуен. Среди других авторов — Тай В. Труонг из Университета Южной Калифорнии, а также Мартина Брюкнер и Джонатон Ховард из Йельского университета.

Это исследование было поддержано Национальным институтом сердца, легких и крови, Национальным институтом детского здоровья и развития Юнис Кеннеди Шрайвер, Американской кардиологической ассоциацией, Фондом Чарльза Худа, Национальным научным фондом, Фондом Гордона и Бетти Мур, Центр трансляционной визуализации USC и другие.

Процитированная бумага:

Дженун, Л., Махамде, М., Труонг, Т.В., Нгуен, К., Фрейзер, С.Е., Брюкнер, М., Ховард, Дж., Юань, С. (2023). Реснички функционируют как кальций-опосредованные механосенсоры, которые инструктируют лево-правостороннюю асимметрию. Наука379, 71–78. https://doi.org/10.1126/science.abq7317

О Больнице общего профиля Массачусетса

Больница общего профиля Массачусетса, основанная в 1811 году, является первоначальной и крупнейшей учебной больницей Гарвардской медицинской школы. Массовый институт общих исследований проводит крупнейшую в стране исследовательскую программу на базе больниц с годовой стоимостью исследований более 1 миллиарда долларов и включает более 9500 исследователей, работающих в более чем 30 институтах, центрах и отделениях. В июле 2022 года Mass General заняла 8-е место в рейтинге. Новости США и мировой отчет список «Лучших больниц Америки». MGH является одним из основателей системы здравоохранения Mass General Brigham.

---

---

Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.