На самых ранних этапах развития эмбриона важную роль играет не только генетическая информация, но и физическое состояние клетки, в которой она хранится. Ученые обнаружили, что вскоре после оплодотворения ядра клеток мышиного эмбриона на короткое время становятся значительно мягче и пластичнее. Это позволяет активировать гены, запускающие программу развития будущего организма. Открытие раскрывает ранее неизвестный механизм раннего эмбрионального развития и может помочь в изучении причин, по которым некоторые эмбрионы не способны нормально развиваться.

Исследование опубликовано в журнале Nature. Международная группа ученых изучила, как меняются форма и механические свойства клеточных ядер в первые часы после оплодотворения.

Ядро временно теряет жесткость

После оплодотворения яйцеклетка начинает делиться. На первых этапах эмбрион проходит через последовательные стадии: сначала состоит из одной клетки, затем из двух, четырех и большего числа клеток. При этом происходит важнейший переход: эмбрион постепенно начинает самостоятельно управлять работой своего генома.

На двухклеточной стадии активируется так называемый зиготический геном - набор генов, который начинает работать после оплодотворения и обеспечивает дальнейшее развитие. До этого момента основную роль в управлении ранними процессами играют молекулы РНК и белки, накопленные в яйцеклетке еще до ее оплодотворения.

Ученые установили, что именно в период запуска зиготического генома ядра клеток приобретают необычные механические свойства. В отличие от ядер на одно- и четырехклеточной стадиях, которые сохраняют преимущественно округлую форму, ядра двухклеточного эмбриона постепенно деформируются. Изменения начинаются примерно через 21 час после оплодотворения, достигают максимума через 24–26 часов и постепенно исчезают к 32–36 часам.

Чтобы измерить не только форму, но и жесткость ядер, исследователи разработали специальную систему с нанокапилляром. Его тонкий наконечник захватывал поверхность ядра и осторожно растягивал ее, позволяя оценить сопротивление деформации.

Результаты показали, что на двухклеточной стадии ядра становятся значительно мягче. Их жесткость снижалась примерно с 5 наноньютонов на микрометр на одноклеточной стадии до 2 наноньютонов на микрометр. На следующем этапе, когда эмбрион состоял уже из четырех клеток, показатель снова повышался - примерно до 4,6 наноньютона на микрометр.

Таким образом, речь идет не о случайном изменении формы, а о кратковременном переходе к особому физическому состоянию, необходимому эмбриону в определенный момент развития.

Белок, который делает ядро гибким

Исследователи также выяснили, какой молекулярный механизм отвечает за временное размягчение ядра. Ключевую роль играет белок ламина B1, входящий в состав ядерной оболочки. Ламины формируют поддерживающую структуру, которая помогает ядру сохранять форму и механическую прочность.

На двухклеточной стадии количество ламина B1 на ядерной оболочке резко сокращается - примерно на 70%. Этот процесс связан с аутофагией - механизмом, с помощью которого клетка расщепляет и перерабатывает собственные компоненты. В данном случае в удалении ламина B1 участвует белок LC3, направляющий его на разрушение через систему аутофагии и лизосом.

Когда исследователи препятствовали взаимодействию LC3 с ламина B1, белок сохранялся на оболочке ядра, и ожидаемого размягчения не происходило. Развитие таких эмбрионов нарушалось. Это позволило установить связь между удалением ламина B1, изменением механических свойств ядра и нормальным запуском генетической программы.

Но почему гибкость ядра так важна для активации генов?

Внутри ядра находится ДНК, организованная вместе с белками в хроматин. Чтобы нужные гены начали работать, клетке необходимо обеспечить доступ к определенным участкам генома и активировать процессы считывания генетической информации. Ученые обнаружили, что в мягких ядрах активная РНК-полимераза II - фермент, который участвует в синтезе РНК по матрице ДНК, накапливается вблизи ядерной оболочки. Там же располагаются некоторые ключевые участки генома, отвечающие за запуск развития.

Дополнительные эксперименты показали, что искусственное повышение жесткости ядра мешает этим процессам: активность транскрипции снижается, а экспрессия важных генов зиготической активации подавляется.

Может ли это помочь оценивать качество эмбрионов?

Ученые проверили, связана ли жесткость ядра с дальнейшей способностью эмбриона развиваться. Для этого они наблюдали за эмбрионами после измерений на двухклеточной стадии.

Все 66 эмбрионов с мягкими ядрами, включенных в соответствующую группу эксперимента, своевременно достигли стадии бластоцисты — ранней стадии развития, на которой формируется структура, необходимая для последующей имплантации в матку. Среди 15 эмбрионов с нарушенным развитием у семи обнаружили повышенную жесткость ядер.

Похожая особенность была выявлена и у эмбрионов, полученных методом переноса ядра соматической клетки, который используется, в частности, при клонировании.

Авторы исследования считают, что механические свойства ядра могут служить одним из признаков нормального раннего развития. Однако результаты пока получены на мышиных эмбрионах. Чтобы понять, применим ли этот механизм к человеку и можно ли использовать его для оценки эмбрионов в репродуктивной медицине, необходимы дальнейшие исследования.