Pred 50 leti je razvojni biolog Lewis Wolpert postavil teorijo, da je usoda matičnih celic odvisna od koncentracije signalnih molekul, ki so jim celice izpostavljene. Če je določena molekula prisotna nad neko mejo, se celica razvije npr. v mišične celice, pod to mejo pa npr. v hrustančne celice. Signalna molekula TGF-β je ena pomembnejših, ki vodi razvoj/diferenciacijo zarodka v procesu, imenovanem morfogeneza, ko se začno razvijati specializirane celične vrste in tkiva. Pomembna je tudi pri lokalizaciji celic na ustrezna mesta v tkivu. V embriu je prisoten gradient TGF-β in prav te razlike v koncentraciji molekul vodijo razvoj matičnih celic v različne vrste specializiranih celic, ki na koncu sestavljajo urejena tkiva in organe.

Pomen pulznega signala
Pred kratkim pa so ugotovili, da je poleg koncentracije pomembno tudi, ali signal prihaja v pulzih in ali se koncentracija spreminja hitro ali počasi. "Kaže, da če koncentracijo neke signalne molekule počasi povečujemo, se celica nanjo sploh ne odzove. Medtem ko ima pulzirajoče dodajanje enake molekule večji vpliv na tarčne celice kot konstantna prisotnost," je razložil dr. Brivanlou z univerze Rockefeller v New Yorku (njihovo delo je bilo objavljeno avgusta v reviji Developmental Cell).

V raziskavi so se ukvarjali s signalno potjo morfogena TGF-β, za katerega je znano, da močno vpliva na usodo celic. Celice se na TGF-β najprej močno odzovejo, odziv doseže vrh, nato pa se zmanjša in izgine, čeprav je molekula TGF-β še vedno prisotna v nespremenjeni koncentraciji. To imenujemo adaptiven odziv in ga lahko primerjamo s tem, kako ljudje po nekem času, ko se nanj navadimo, določenega vonja ne zaznavamo več.

Do zdaj ni bilo mogoče testirati, kako hitrost spreminjanja koncentracije vpliva na odziv celic na proučevan signal. Novo razvite metode omogočajo izredno natančno doziranje signalnih molekul in merjenje celičnega odziva na ravni posamezne celice. Uporabili so poseben računalniško nadzorovan sistem miniaturne mreže ventilov, cevk, črpalk in kamric za celice. Mišje celice, ki se lahko diferencirajo v mišične, hrustančne ali kostne celice, so izpostavili signalni molekuli TGF-β, ki so jo dovajali v določenem vzorcu in potem dokumentirali njihov odziv. TGF-β pulzi (trije enourni pulzi s 6-urnim vmesnim časom) bolj učinkovito zavirajo to diferenciacijo kot stalna stimulacija s tem faktorjem (15 ur). Pri dobro ločenih pulzih se odziv celic sešteva, kar vodi do večje aktivacije signalne poti kot pri stalni stimulaciji.

Kako celice v zarodku razumejo signale?
Opažanja, da ima hitrost naraščanja koncentracije morfogena enako pomembno vlogo kot sama koncentracija, so pomembna, ker razlagajo, kako celice v zarodku razumejo signale ter se usmerjajo v določeno razvojno smer odvisno od lokacije. Adaptivni odziv doseže maksimum veliko prej kot linearen odziv doseže stabilno stanje, zato celice v tem primeru potrebujejo veliko manj časa za usmeritev v razvoj. To lahko v hitro razvijajočem se zarodku predstavlja pomembno prednost.

dr. Mojca Jež, univ. dipl. biotehnologinja