Nhân lang thang định hình phát triển phôi như thế nào
Trong quá trình phát triển sớm, tất cả các phôi động vật đều trải qua một giai đoạn gần như giống hệt nhau, nơi chúng tạo thành phôi nang, đó là một quả bóng rỗng gồm vài nghìn tế bào. Từ quả bóng rỗng đó, các lớp tế bào bắt đầu gấp lại thành các hình dạng sẽ trở thành các bộ phận khác nhau của cơ thể. Mặc dù hành vi của các tế bào và mô hình phôi sau giai đoạn blastoderm đã được hiểu rõ, nhưng bản thân blastoderm được tạo ra như thế nào vẫn còn là một bí ẩn lâu đời.
Giờ đây, một nhóm các nhà sinh vật học và nhà toán học ứng dụng tại Đại học Harvard ở Massachusetts đã phát triển một khuôn khổ để hiểu các nguyên tắc chung mà theo đó các nhân tế bào di chuyển và tự sắp xếp trong giai đoạn sớm nhất của sự phát triển phôi thai để tạo thành blastoderm. Trong nghiên cứu của họ, được công bố vào ngày 6 tháng XNUMX trên Nature Communications, các nhà nghiên cứu đã đưa ra những dự đoán cụ thể về cách blastoderm sẽ hình thành trong nhiều loại trứng côn trùng và xác nhận chúng bằng cách sử dụng các mô hình toán học và hình ảnh phát triển phôi dế (Gryllus bimaculatus).
Bởi vì có quá ít thông tin về sự hình thành blastoderm ở bất kỳ loài động vật nào, "Tôi nghĩ điều tốt nhất nên làm là có cái nhìn khách quan nhất mà bạn có thể, và chỉ cần quan sát và ghi lại các hành vi thực tế, và hỏi những mô hình nào xuất hiện", nhà sinh vật học phát triển tiến hóa Cassandra Extavour, người đứng đầu nghiên cứu với nhà toán học ứng dụng Chris Rycroft, cho biết.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tấm ánh sáng đa góc nhìn và kính hiển vi đồng tiêu để chụp ảnh timelapse 3D của phôi đang phát triển và phát hiện ra rằng nhân tế bào nhân lên trong phôi dế nhanh chóng di chuyển để lấp đầy khoảng trống trong trứng. Chúng không phân chia và di chuyển ngẫu nhiên qua quả trứng; thay vào đó, như thể mỗi hạt nhân có thể cảm nhận được sự hiện diện của các hạt nhân khác trong khu vực lân cận của chúng và phản ứng phù hợp để tránh lấn át lẫn nhau.
Mặc dù tập trung vào dế, "chúng tôi muốn thực sự hiểu các nguyên tắc chung về cách phôi hình thành trên toàn bộ lớp các loài côn trùng khác nhau," Rycroft nói.
Tôi nghĩ điều tốt nhất nên làm là có cái nhìn khách quan nhất mà bạn có thể, và chỉ cần quan sát và ghi lại các hành vi thực tế, và hỏi những mô hình nào xuất hiện.
—Cassandra Extavour, Đại học Harvard
Các nhà nghiên cứu đã tiếp cận nghiên cứu với hai giả thuyết: rằng các hạt nhân có thể đẩy đi những người hàng xóm gần đó và mỗi hạt nhân trải qua một lực kéo nó ra khỏi các hạt nhân khác và vào không gian trống. Họ đã chính thức hóa hai giả thuyết này bằng các mô hình toán học và thực hiện các mô phỏng máy tính về phôi đang phát triển. Cuối cùng, giả thuyết thứ hai - rằng hạt nhân bằng cách nào đó được kéo vào không gian trống còn lại của quả trứng - phù hợp nhất với quan sát của chúng.
Để kiểm tra mô hình hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã buộc lông người xung quanh phôi dế, tạo ra sự co thắt ở giữa. Họ phát hiện ra rằng các hạt nhân chậm vượt qua sự co thắt, nhưng sau đó tăng tốc vào không gian mở ở phía bên kia — một phát hiện hoàn toàn đồng ý với dự đoán của mô hình của họ.
"Đối với tôi, đó là một khía cạnh thực sự thú vị và quan trọng của công việc này," Extavour nói. "Việc tạo ra một mô hình tóm tắt lại sinh học không phải là bằng chứng cho thấy mô hình đang nắm bắt các thông số quan trọng trong sinh học. Và vì vậy, thật tuyệt vời khi tìm ra ít nhất một cách để cố gắng làm sai lệch mô hình và kiểm tra tính hiện thực của nó ".
Vậy làm thế nào để các hạt nhân cảm nhận được không gian xung quanh chúng? Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng các vi ống gắn vào mỗi hạt nhân tự lắp ráp và phát triển ra bên ngoài, ưu tiên kéo các hạt nhân về phía không gian trống vì chúng có thể phát triển dài hơn theo hướng đó.
Đảm bảo rằng các hạt nhân là nơi chúng cần ở trong blastoderm đặt nền tảng cho tất cả sự phát triển tiếp theo xảy ra một cách chính xác,
Stefano Di Talia, một nhà sinh vật học phát triển tại Đại học Duke ở Bắc Carolina, người đã không làm việc trong nghiên cứu giải thích. Ông nói: "Quan trọng hơn nữa, rất nhiều cơ chế liên quan đến sự hình thành của blastoderm thực sự là những câu hỏi cơ bản về sinh học và sinh lý tế bào," chẳng hạn như cách chu trình tế bào được phối hợp với các tín hiệu sinh hóa và các lực cơ học do cytoskeleton tạo ra để định vị mọi thứ một cách chính xác.
Di Talia cho biết khả năng của các vi ống kéo hạt nhân vào vị trí là một giả thuyết hấp dẫn và có thể là một cơ chế tổng quát hơn để giải thích cách các tế bào di chuyển trong quá trình phát triển và hình thái học. "Tôi nghĩ rằng sẽ có rất nhiều tình huống trong đó các quá trình điều khiển bằng vi ống sẽ kiểm soát vị trí của hạt nhân hoặc bào quan," ông nói, "và tôi nghĩ rằng các hệ thống mà bạn thực sự có thể tìm hiểu lý sinh về cách thức hoạt động của nó sẽ rất hữu ích."
