Forskere finder, at diffusion spiller en usædvanlig signalrolle i Drosophila-embryoner

Forskere fra North Carolina State University har fundet ud af, at diffusion spiller en uventet rolle i celledifferentiering i de tidlige udviklingsstadier i Drosophilas embryoner, eller frugtfluer. I stedet for at sprede et molekylært signal ud, det viste sig, at diffusion, lettet gennem et bærermolekyle, koncentrerer faktisk signalet ét sted. Denne "faciliterede diffusions"-mekanisme er tidligere blevet fundet i andre systemer, og det nye fund indikerer, at det kan være mere udbredt end tidligere antaget.

Udviklingen af ​​Drosophila sker hurtigt, der går kun 24 timer fra befrugtningsøjeblikket, til der kommer en larve ud af ægget. Til denne undersøgelse, forskere fokuserede på et to-timers udviklingsvindue, fra begyndelsen af ​​den anden time til slutningen af ​​den tredje time. I begyndelsen af ​​denne fase, embryonet består af en stor celle, med cirka 500 kerner omkring blommen. Ved udgangen af ​​den tredje time, embryonet består af omkring 8, 000 kerneceller – stadig omkring blommen.

"Disse 8, 000 celler begynder at differentiere sig – nogle bliver til neuroner, mens andre vil være hudceller, og så videre, " siger Greg Reeves, en assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NC State og tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet. "Det, vi så på, er, hvordan det udviklende embryo sender signaler til alle disse celler, så de ved, at de skal differentiere."

I de tidlige udviklingsstadier, embryoner transmitterer signaler til celler langs to gradienter, der grundlæggende er bredde- og langsgående. Kombinationen af ​​begge signaler fortæller cellerne, hvad de vil udvikle sig til. Det drejer sig om dorsale gradientsignaler i dette papir, som er transskriptionsfaktorer. Transkriptionsfaktorer er proteiner, der binder til DNA i en kerne og regulerer genekspression. Fordi kernerne på dette udviklingsstadium ikke er adskilt af cellevægge, disse dorsale proteiner kan nemt pendle fra sted til sted langs periferien af ​​embryonet.

Men disse dorsale proteiner holdes inaktive af et hæmmende protein kaldet Cactus, som binder til Dorsal - danner et Dorsal-Cactus kompleks, der ikke kan komme ind i en kerne.

For at kunne udføre deres arbejde, Rygproteiner er afhængige af Toll-proteiner, som udløser en kaskade, der i sidste ende nedbryder Cactus - frigør dorsale proteiner til at komme ind i en kerne og binde med DNA. Og Toll proteiner, på tur, først begynde at udføre deres arbejde langs den ventrale side af embryoet.

Denne beskrivelse har været den langvarige forklaring på, hvordan denne proces fungerer - men Reeves og hans team har nu vist, at der er mere i det.

I dette tilfælde, forskerne har fundet ud af, at diffusion spiller en nøglerolle – men ikke nødvendigvis den rolle, de havde forudset.

"Som regel, signalet starter ét sted, diffunderer derefter ud for at skabe gradienten, "Reeves forklarer. "Det, der sker her, er i bund og grund det modsatte af det."

Specifikt, da Toll nedbryder kaktusen, tillader Dorsal at komme ind i kerner, det skaber en ubalance:der er flere Dorsal-Cactus-komplekser på den ene side af embryoet end på den anden. Dette får yderligere Dorsal-Cactus-komplekser til at migrere til den ventrale side - via diffusion - i et forsøg på at genoprette balancen.

"Nettoeffekten af ​​processen er, at mere dorsal aflejres på den ventrale side, " siger Reeves. "Kaktus er ikke kun en hæmmer, som vi tidligere troede, den fungerer også som transportør.

"Fordelen ved denne faciliterede diffusionsmekanisme er, at den effektivt forstærker signalet fra de dorsale proteiner, " siger Reeves.

Og i embryoner med mangel på dorsale proteiner, mekanismen koncentrerer også Dorsal i det område, hvor det er vigtigst - hvilket øger sandsynligheden for, at embryoet vil være levedygtigt.

"Denne diffusionsmekanisme er tidligere blevet fundet i frøer og andre uafhængige systemer, " siger Reeves. "Så at finde det her tyder på, at det kan være mere udbredt, end vi troede. Og hvis det er udbredt i naturen, der kan indikere en effektivitet, der kunne informere udviklingen af ​​teknikker, der kunne bruges til applikationer såsom medicinafgivelse. Det ville være langt væk, men det er værd at undersøge."

Papiret, "En lettet diffusionsmekanisme etablerer Drosophila Dorsal gradient, " er offentliggjort i tidsskriftet Udvikling .