Forskare från North Carolina State University har funnit att diffusion spelar en oväntad roll i celldifferentiering under de tidiga utvecklingsstadierna i embryon av Drosophila, eller fruktflugor. Istället för att sprida en molekylär signal, man fann att diffusion, underlättas genom en bärarmolekyl, koncentrerar faktiskt signalen på ett ställe. Denna "facilitated diffusion"-mekanism har tidigare hittats i andra system, och det nya fyndet indikerar att det kan vara mer utbrett än man tidigare trott.

Utvecklingen av Drosophila sker snabbt, med bara 24 timmar från befruktningsögonblicket tills en larv kommer ut ur ägget. För denna studie, forskare fokuserade på ett två timmar långt utvecklingsfönster, från början av den andra timmen till slutet av den tredje timmen. I början av detta skede, embryot består av en stor cell, med cirka 500 kärnor som omger äggulan. I slutet av den tredje timmen, embryot består av cirka 8, 000 kärnförsedda celler – fortfarande omger äggulan.

"Dessa 8, 000 celler börjar skilja sig – vissa blir neuroner medan andra kommer att vara hudceller, och så vidare, " säger Greg Reeves, en biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik vid NC State och motsvarande författare till en artikel om arbetet. "Vad vi tittade på är hur det utvecklande embryot skickar signaler till alla dessa celler så att de vet att de kan differentiera."

Under tidiga utvecklingsstadier, embryon överför signaler till celler längs två gradienter som i princip är latitudinella och longitudinella. Kombinationen av båda signalerna talar om för cellerna vad de kommer att utvecklas till. Det handlar om dorsal gradientsignaler, som är transkriptionsfaktorer. Transkriptionsfaktorer är proteiner som binder till DNA i en kärna och reglerar genuttryck. Eftersom kärnorna i detta utvecklingsstadium inte separeras av cellväggar, Dessa dorsala proteiner kan lätt transporteras från plats till plats längs embryots periferi.

Men dessa ryggproteiner hålls inaktiva av ett hämmande protein som kallas Cactus, som binder till dorsal – bildar ett dorsal-kaktuskomplex som inte kan komma in i en kärna.

För att kunna göra sitt jobb, Ryggproteiner är beroende av Toll-proteiner, som utlöser en kaskad som i slutändan bryter ner Cactus – frigör dorsala proteiner att komma in i en kärna och binda med DNA. Och Toll-proteiner, i tur och ordning, bara börja göra sina jobb längs den ventrala sidan av embryot.

Den beskrivningen har varit den långvariga förklaringen av hur den här processen fungerar – men Reeves och hans team har nu visat att det ligger mer bakom det.

I detta fall, forskarna har funnit att diffusion spelar en nyckelroll – men inte nödvändigtvis den roll de förväntade sig.

"Vanligtvis, signalen börjar på ett ställe, diffunderar sedan ut för att skapa gradienten, "Reeves förklarar. "Vad som händer här är i huvudsak motsatsen till det."

Specifikt, när Toll förnedrar kaktusen, tillåter dorsal att komma in i kärnor, det skapar en obalans:det finns fler Dorsal-Cactus-komplex på ena sidan av embryot än på den andra. Detta leder till att ytterligare Dorsal-Cactus-komplex migrerar till den ventrala sidan – via diffusion – i ett försök att återställa balansen.

"Nettoeffekten av processen är att mer dorsal deponeras på den ventrala sidan, " säger Reeves. "Kaktus är inte bara en hämmare, som vi tidigare trodde, den fungerar också som bärare.

"Fördelen med denna underlättade diffusionsmekanism är att den effektivt förstärker signalen från dorsala proteiner, " säger Reeves.

Och i embryon med brist på ryggproteiner, mekanismen koncentrerar också Dorsal till det område där det är viktigast – vilket ökar sannolikheten för att embryot blir livskraftigt.

"Denna diffusionsmekanism har tidigare hittats i grodor och andra oberoende system, " säger Reeves. "Så att hitta det här tyder på att det kan vara mer utbrett än vi trodde. Och om det är vanligt i naturen, som kan indikera en effektivitet som skulle kunna informera utvecklingen av tekniker som kan användas för tillämpningar som läkemedelsleverans. Det skulle vara långt kvar, men det är värt att titta på."

Pappret, "En underlättad diffusionsmekanism etablerar Drosophila Dorsal-gradienten, " publiceras i tidskriften Utveckling .