研究人员发现扩散在果蝇胚胎中发挥着不同寻常的信号作用

来自北卡罗来纳州立大学的研究人员发现，在果蝇或果蝇胚胎发育的早期阶段，扩散在细胞分化中起着意想不到的作用。不是将分子信号扩散出去，而是发现通过载体分子促进的扩散实际上将信号集中在一个地方。这种“促进扩散”机制先前已在其他系统中找到，新发现表明它可能比以前认为的更广泛。

果蝇的发育很快发生，从受精的那一刻开始只有24小时，直到幼虫从卵中出现。在这项研究中，研究人员专注于两个小时的开发窗口，从第二个小时开始到第三个小时结束。在这个阶段的开始，胚胎由一个大细胞组成，蛋黄周围约有500个细胞核。到第三个小时结束时，胚胎由大约8,000个有核细胞组成 - 仍然围绕着蛋黄。

“这8,000个细胞开始分化 - 有些细胞正在成为神经元，而其他细胞则成为皮肤细胞，依此类推，”北卡罗来纳州化学和生物分子工程助理教授Greg Reeves说道，该文章的相应作者。“我们看到的是发育中的胚胎如何向所有这些细胞发送信号，以便它们能够区分。”

在发育的早期阶段，胚胎沿着基本上纬度和纵向的两个梯度将信号传递给细胞。两种信号的组合告诉细胞它们将发育成什么。本文的问题是背侧梯度信号，它是转录因子。转录因子是与细胞核中的DNA结合并调节基因表达的蛋白质。因为在这个发育阶段的细胞核没有被细胞壁分开，所以这些背部蛋白质可以沿着胚胎的周边容易地从一个地方穿梭到另一个地方。

但这些背部蛋白质被称为仙人掌的抑制性蛋白质保持无活性，后者与背部结合 - 形成不能进入细胞核的背 - 仙人掌复合体。

为了完成它们的工作，Dorsal蛋白质依赖于Toll蛋白质，它会触发最终降解仙人掌的级联 - 释放背部蛋白质进入细胞核并与DNA结合。反过来，Toll蛋白只能沿着胚胎的腹侧开始工作。

这个描述一直是这个过程如何运作的长期解释 - 但是里夫斯和他的团队现在已经证明了它还有更多。

在这种情况下，研究人员发现扩散起着关键作用 - 但不一定是他们预期的作用。

“通常，信号从一个地方开始，然后扩散出来以产生梯度，”里夫斯解释道。“这里发生的事情与此基本相反。”

具体来说，当Toll降解仙人掌，允许背部进入细胞核时，它会产生不平衡：胚胎一侧的背侧 - 仙人掌复合体比另一侧更多。这导致额外的背 - 仙人掌复合体迁移到腹侧 - 通过扩散 - 以试图恢复平衡。

“这个过程的净效应是更多的背部沉积在腹侧，”里夫斯说。“仙人掌不仅是一种抑制剂，正如我们之前所认为的那样，它也是一种载体。

“这种促进扩散机制的优势在于它有效地放大了来自背侧蛋白质的信号，”里夫斯说。

在缺乏背侧蛋白质的胚胎中，该机制还将Dorsal集中在最重要的区域 - 增加胚胎存活的可能性。

“这种扩散机制以前在青蛙和其他独立系统中被发现，”里夫斯说。“所以在这里找到它表明它可能比我们想象的更普遍。如果它在性质上普遍存在，那可能表明效率可以为开发可用于药物输送等应用的技术提供信息。它将是还有很长的路要走，但值得深入研究。“