Формирование миотомов данио трением тканей и активным давлением

Формирование мышц рыб требует генетической информации и механических воздействий.

Исследователи изучили формирование «V»-образного, так называемого «шевронного» рисунка плавательных мыщц рыб. Работа посвящена миотомам, группе мышц, пролегающих по большей части тела и иннервируемых корешками спинного мозга. Команда обнаружила, что форма миотом определяется не просто генетическими инструкциями или биохимическими механизмами, но ее правильное развитие также обусловлено физическим воздействием.

Разнообразие окраски, форм и рисунка на теле рыб пленительно. Несмотря на него, имеются общие черты, которые мы наблюдаем, например, у лосося и тунца, когда смотрим на суши. Мясо этих рыб имеет «V»-образную форму. Подобная структура мышц генетически обусловлена у большинства видов рыб, однако ее формирование остается загадкой.

Команда исследователей из Механобиологического института (MBI) Национального Университета Сингапура изучила формирование «V»-образного рисунка или «шеврона» плавательных мышц миотомов. Эти мышцы рыб обеспечивают движение тела из стороны в сторону, а рисунок шеврона увеличивает эффективность плавания. Обнаружено, что появление рисунка обусловлено действием не только генетических или биохимических механизмов, но также физическим воздействием. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America on 26 November 2019.

Архитектура шеврона будущего миотома проявляется незадолго после сегментации из пресомитной мезодермы (PSM). (A) Схема 21-сомитного эмбриона данио рерио. Поперечная плоскость к AP оси показана красным. Два сомита, на стадии S1 и S3 подписаны. (B) Схема сомита на стадии S3 (t≈90 мин после сегментации) в поперечной плоскости. Темно-синие (красный) клетки являются будущими медленными (быстрыми) мышечными клетками, соответственно. Темно- и светло-синие плоскости демонстрируют поперечный вид на C и D. Нотохорда в центре, нервная трубка (светло-синий) расположена более дорсально, а вентральные ткани снизу (желтый). (C и C′) Анимация формы сомитов после сегментации: (C) плоскость лежит на z=8 мкм от нотохорды и залегающих под ней вентральных тканей, (C′) плоскость пересекает нотохорду, нервную трубку и вентральные ткани. На вставке наложена форма сомитов, наложенных на нижележащие ткани. (D и D′) Конфокальный снимок эмбриона с экспрессией Lyn-td-Tomato и наложенными контурами (D) сомитов и PSM (красные линии) и (D′) нервная трубка, нотохорда, вентральные ткани (синие, зеленые, желтые линии, соответственно) в моменты t=0,100,300 мин после сегментации PSM для промежуточных сомитов. (E) 3D эволюция формы сомита после сегментации из PSM дикого данио. F) Площадь поперечного среза и выпуклость (соотношение площади сомита к площади его выпуклой оболочки) сегментированных сомитов для наиболее медиальных слоев будущих быстрых мышечных волокон (как на D) как функция времени после сегментации. Затемненная область представляет ±1 SD. Среднее для более 11 сомитов от 6 эмбрионов

Трение и давление влияют на форму мышц рыб
Рисунок шеврона не уникален для тунца или лосося. Он также присутствует у других видов рыб, например, данио рерио, а также в процессе развития некоторых видов амфибий, саламандр и лягушек. Впервые «V»-образная форма появляется в сомитах, предшественниках миотомов, которые формируют скелетную мускулатуру. Обычно сомиты появляются в течение нескольких дней развития рыб или морфогенеза.

Команда исследователей, руководимых постдокторантом MBI Dr Sham Tlili и доцентом Timothy Saunders, изучили формирование шеврона миотом эмбрионов данио рерио. Изначально, каждый сегмент миотома при развитии имеет кубоидальную форму. Но в течение пяти часов деформировался в остроконечную «V»-образную форму. Для выяснения причин этой деформации команда использовала различные техники — сканирование развивающихся миотомов данио при разрешении в одну клетку; количественный анализ данных сканирования; сбор количественных данных в биофизические модели.

На основе полученных результатов и теоретического анализа, исследователи определили физические механизмы, которые могут направлять формирование шевронного рисунка при развитии рыб.

Сначала, развивающиеся миотомы физически соединены с другими тканями эмбриона, нервной трубкой, нотохордой, кожей и вентральными тканями. Сила связей с этими тканями зависит от этапа развития миотома и, соответственно, трению возникающему в тканях. Периферийные регионы развивающихся миотом испытывают более сильное трение, чем центральные регионы. Как только новые сегменты проталкивают миотом вперед, происходит формирование слабовыраженного «U»-образного рисунка миотома.

Затем, клетки внутри будущих миотом начинают удлиняться и формируют мышечные волокна. Эта трансформация порождает активные, неоднородные силы в определенных направлениях внутри сомитов. Поэтому «U»-образная форма миотома преобразуется в «V»-образный шеврон. Наконец, направленное расположение клеток в будущих миотомах помогает стабилизировать новую форму шеврона.

Расшифровка направленного формирования рисунка
Физик-теоретик, доцент Saunders применил физические принципы для описания биологических процессов и заявил: «Эта работа раскрывает, как тонкое сбалансированное взаимодействие между морфологией клеток и механическим воздействием приводит к возникновению сложных форм в ходе развития. Мы восхитились тем, что открытые принципы также влияют на форму других органов».

Обычно любой связанный с внешним видом атрибут приписывают генетике организма. Однако, эта работа показала, как меняющиеся во времени и пространстве биофизические силы влияют на форму организма.

——
S. Tlili, J. Yin, J.-F. Rupprecht, M. A. Mendieta-Serrano, G. Weissbart, N. Verma, X. Teng, Y. Toyama, J. Prost, T. E. Saunders. Shaping the zebrafish myotome by intertissue friction and active stress. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 116 (51): 25430

Раздел: Интересные факты
Метки:
Похожие статьи:

Сон для здоровья нейронов головного мозга

Ген «глухоты» вовлечен в восприятие течений рыбами

В условиях выбора рыбка данио охотно принимает наркотики

Воссоздано солцезащитное покрытие рыб

Клеточные механизмы окраски данио

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *