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.

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