Onderzoekers van de North Carolina State University hebben ontdekt dat diffusie een onverwachte rol speelt bij celdifferentiatie tijdens de vroege stadia van ontwikkeling in de embryo's van Drosophila, of fruitvliegjes. In plaats van een moleculair signaal te verspreiden, bleek dat diffusie, gefaciliteerd door een dragermolecuul, concentreert het signaal eigenlijk op één plaats. Dit "gefaciliteerde diffusie"-mechanisme is eerder gevonden in andere systemen, en de nieuwe bevinding geeft aan dat het meer wijdverspreid kan zijn dan eerder werd gedacht.

De ontwikkeling van Drosophila gaat snel, met slechts 24 uur verstrijken vanaf het moment van bevruchting totdat een larve uit het ei komt. Voor deze studie is onderzoekers concentreerden zich op een ontwikkelingsvenster van twee uur, vanaf het begin van het tweede uur tot het einde van het derde uur. Aan het begin van deze fase, het embryo bestaat uit één grote cel, met ongeveer 500 kernen rond de dooier. Tegen het einde van het derde uur, het embryo bestaat uit ongeveer 8, 000 kernhoudende cellen - nog steeds rond de dooier.

"Deze 8, 000 cellen beginnen te differentiëren – sommige worden neuronen, terwijl andere huidcellen worden, enzovoort, " zegt Greg Reeves, een assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering bij NC State en corresponderende auteur van een paper over het werk. "Waar we naar hebben gekeken, is hoe het zich ontwikkelende embryo signalen naar al deze cellen stuurt, zodat ze weten te differentiëren."

Tijdens de vroege stadia van ontwikkeling, embryo's zenden signalen naar cellen langs twee gradiënten die in wezen breedte- en longitudinaal zijn. De combinatie van beide signalen vertelt cellen waarin ze zich zullen ontwikkelen. In dit artikel gaat het om de Dorsale gradiëntsignalen, die transcriptiefactoren zijn. Transcriptiefactoren zijn eiwitten die binden aan DNA in een kern en genexpressie reguleren. Omdat de kernen in dit ontwikkelingsstadium niet gescheiden zijn door celwanden, deze Dorsale eiwitten kunnen gemakkelijk van plaats naar plaats langs de periferie van het embryo pendelen.

Maar deze Dorsale eiwitten worden inactief gehouden door een remmend eiwit genaamd Cactus, die zich bindt aan Dorsaal en een Dorsaal-Cactuscomplex vormt dat geen kern kan binnendringen.

Om hun werk te kunnen doen, Dorsale eiwitten zijn afhankelijk van Toll-eiwitten, die een cascade in gang zetten die uiteindelijk Cactus afbreekt - waardoor Dorsale eiwitten worden vrijgemaakt om een ​​kern binnen te gaan en te binden met DNA. En Toll-eiwitten, beurtelings, beginnen pas hun werk te doen langs de ventrale zijde van het embryo.

Die beschrijving is al lang de uitleg van hoe dit proces werkt, maar Reeves en zijn team hebben nu laten zien dat er meer aan de hand is.

In dit geval, de onderzoekers hebben ontdekt dat diffusie een sleutelrol speelt, maar niet noodzakelijk de rol die ze hadden verwacht.

"Gebruikelijk, het signaal begint op één plaats, diffundeert vervolgens naar buiten om het verloop te creëren, " legt Reeves uit. "Wat hier gebeurt, is in wezen het tegenovergestelde daarvan."

specifiek, als Toll de Cactus degradeert, waardoor Dorsal kernen kan binnendringen, het zorgt voor een onbalans:aan de ene kant van het embryo bevinden zich meer dorsaal-cactuscomplexen dan aan de andere kant. Dit leidt ertoe dat extra Dorsal-Cactus-complexen naar de ventrale zijde migreren - via diffusie - in een poging het evenwicht te herstellen.

"Het netto-effect van het proces is dat er meer Dorsaal wordt afgezet aan de ventrale zijde, ' zegt Reeves. 'Cactus is niet alleen een remmer, zoals we eerder dachten, het dient ook als drager.

"Het voordeel van dit gefaciliteerde diffusiemechanisme is dat het het signaal van de Dorsale eiwitten effectief versterkt, ' zegt Reeves.

En bij embryo's met een tekort aan Dorsale eiwitten, het mechanisme concentreert Dorsal ook in het gebied waar het het belangrijkst is, waardoor de kans groter wordt dat het embryo levensvatbaar zal zijn.

"Dit diffusiemechanisme is eerder gevonden in kikkers en andere onafhankelijke systemen, ' Zegt Reeves. 'Dus het hier vinden suggereert dat het vaker voorkomt dan we dachten. En als het in de natuur voorkomt, dat kan wijzen op een efficiëntie die de ontwikkeling van technieken zou kunnen informeren die zouden kunnen worden gebruikt voor toepassingen zoals medicijnafgifte. Het zou nog ver weg zijn, maar het is het onderzoeken waard."

De krant, "Een gefaciliteerd diffusiemechanisme brengt de Drosophila Dorsale gradiënt tot stand, " is gepubliceerd in het tijdschrift Ontwikkeling .