Nowe badania wykazały, że jądra komórkowe, a nie tylko ich powierzchnie, kontrolują sztywność i organizację tkanek oka i mózgu podczas rozwoju, co wskazuje na znaczącą rolę jądra w kształtowaniu struktury tkanki embrionalnej i potencjalnym wpływie na powiązane choroby.
Biofizyk Otger Campàs i jego zespół badawczy, prowadzący badania zarówno na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, jak i w Klastrze Doskonałości Fizyki Życia na Uniwersytecie Technicznym w Dreźnie, odkryli, że jądra komórkowe odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu architektury i mechaniki tkanek oka i mózgu podczas rozwoju embrionalnego. Odkrycie to ujawnia nową funkcję jądra komórkowego w organizacji tkanek, wykraczającą poza jego tradycyjną rolę w regulacji genetycznej.
„Mierzyliśmy sztywność tkanki siatkówki danio pręgowanego i zdaliśmy sobie sprawę, że zależy ona od upakowania jąder. Było to całkowicie nieoczekiwane, ponieważ uważa się, że mechanika tkanek zależy od interakcji na powierzchni komórki, a nie od organelli wewnątrz komórek” – powiedział Campàs, obecnie profesor i kierownik katedry dynamiki tkanek w Cluster of Excellence Physics of Life na Uniwersytecie Technicznym w Dreźnie, gdzie również pełni funkcję profesora jako dyrektor zarządzający. Wyniki tego badania opublikowano w czasopiśmie Materiały natury, stanowi niezbadaną drogę do zrozumienia, w jaki sposób komórki organizują rozwój embrionalny.
Ukryty Architekt
Wewnątrz każdej komórki poszczególne struktury zwane organellami pełnią kluczowe funkcje, ale nie wiadomo, w jaki sposób te organelle przyczyniają się do tworzenia tkanek i narządów. Podobnie jak fabryki czy drogi w miastach, niezliczone organelle wykonują zadania wewnątrz komórek, aby mogły prawidłowo funkcjonować. Ponieważ są zamknięte w komórkach, nie uważano, że organelle odgrywają bezpośrednią rolę w budowaniu narządów podczas embriogenezy. Aż do teraz.
Jądro komórki to organella znana z przetwarzania informacji w komórkach, a geny włączają się i wyłączają w zależności od odbieranych sygnałów. Jednakże jądro jest także największą i najsztywniejszą organellą w komórce i może nie tylko wpływać na strukturę fizyczną tkanki, ale także przetwarzać informacje. Zafascynowany rolą jądra w tworzeniu tkanek, Campàs postanowił zbadać rolę jądra w tworzeniu narządów.
Poprzednia pionierska praca jego grupy wykazała, że kolektywy komórkowe zachowywały się podczas rozwoju jak piana. Może to być jedno i drugie zakleszczone, aby „zamrozić” architekturę tkanki i nadać jej kształt, lub „stopione”, aby umożliwić przepływ tkanek i ich kształtowanie.
„Rozszerzając model aktywnej pianki, zidentyfikowaliśmy nowy tryb przejścia ze stanu stałego w płyn, regulowany przez względne rozmiary jądra i komórek” – powiedział współautor Sangwoo Kim.
Kiedy autorzy porównali wielkość jądra z rozmiarem komórek w tkankach oka i mózgu, zarówno w warunkach eksperymentalnych, jak i teoretycznych, odkryli, że jeśli jądro zajmowało większość przestrzeni komórkowej, wówczas sztywność tkanki była bezpośrednio kontrolowana przez jądro. Co więcej, odkryli również, że gdy jądra upakowały się tak mocno, uporządkowały komórki w układy niemal krystaliczne.
„Kiedy jądra zaczynają oddziaływać mechanicznie, zarówno mechanika tkanek, jak i porządek komórkowy nie są podyktowane powierzchnią komórki, ale raczej kontrolowane przez samo jądro” – powiedział Campàs. „To organella określająca sztywność całej tkanki.” Ich badanie podważa status quo, ujawniając nową rolę jąder w kontroli organizacji i mechaniki tkanek.
Aby zbadać, jak wielkość jądra komórkowego wpływa na tworzenie się narządów, naukowcy wykorzystali danio pręgowanego. Te kręgowce są nieocenionym modelem do badania zagadnień rozwojowych, ponieważ są w pełni przejrzyste na etapach embrionalnych i szybko dojrzewają, umożliwiając wizualizację tworzenia się narządów w 3D.
„Dlatego przeprowadziliśmy pomiary strukturalne i kwantyfikację ruchu komórek, koncentrując się na rozwijającej się siatkówce i mózgu danio pręgowanego” – powiedziała współautorka Rana Amini.
Dzięki tym pomiarom autorzy wykazali, że zmiany w rozmiarach komórek i jąder na kluczowych etapach rozwoju „utykają” jądra na miejscu, gdy stają się one ciasno otoczone przez sąsiadów. Podczas tego przejścia jądra są starannie dopasowane do siebie, jak ziarna kawy w słoiku, a ta organizacja może być ważna dla prawidłowego funkcjonowania oka. Naszym zdaniem upakowanie komórek wydaje się bardzo uporządkowane i często wykazuje bardzo regularny, „krystaliczny” porządek niezbędny do przetwarzania wskazówek wizualnych. Nie inaczej jest w przypadku danio pręgowanego, a krystaliczny porządek komórek wydaje się być wynikiem zatykania się jąder w miarę rozwoju oka.
Poza okiem zespół odkrył również, że tkanki mózgowe ulegają zablokowaniu, co ujawnia nową rolę jądra, polegającą na kontrolowaniu architektury kilku tkanek nerwowych. Praca ta podkreśla również potencjalną rolę defektów na poziomie jądrowym w powodowaniu chorób związanych z zaburzoną architekturą tkanek. Ten nowy element układanki przybliża nas o krok do zrozumienia, w jaki sposób komórki budują narządy podczas rozwoju embrionalnego.
Odniesienie: „Przejście zagłuszania jądrowego w organogenezie kręgowców” autorstwa Sangwoo Kim, Rana Amini, Shuo-Ting Yen, Petr Pospíšil, Arthur Boutillon, Ilker Ali Deniz i Otger Campà, 12 sierpnia 2024 r., Materiały natury.
DOI: 10.1038/s41563-024-01972-3
