Насколько точны и воспроизводимы градиенты морфогенов? И как градиент 'scaled' у эмбрионов разных размеров? В работах Gregor et al., посвященных этим и др. вопросам производилось изучение in vivo с помощью optical imaging, развития и стабильности градиента Bicoid (BCD) у ранних эмбрионов Drosophila melanogaster.

Используя тарансгенные эмбрионы мух, у которых эндогенный BCD был замещен флюоресцентным BCD слитым белком, авт. определяли количественно BCD в живых эмбрионах с помощью two-photon laser scanning микроскопии. Передне-задний градиент BCD устанавливался неожиданно быстро, в течение 90 мин. после оплодотворения, как в ядерном, так и цитоплазматическом компартментах эмбриона.

The image shows a 2-hour-old fruit fly embryo that has been colour labelled to reveal Bicoid protein (blue), Hunchback protein (green) and DNA (red) inside the nuclei at its surface. Image provided by T. Gregor, Princeton University, Princeton, New Jersey, USA.

Концентрация BCD существенно варьировала в индивидуальных ядрах, с максимальной концентрацией BCD, появляющейся во время ранней интерфазы. Интерфазыне уровни возникали в результате быстрого уравновешивания между поступлением и удалением Bicoid. Инициальная концентрация в ядрах в последующих циклах была постоянной (±10%), демонстрируя стабильность формы градиента, несмотря на удвоение количества ядер, а также общие изменения ядерного объёма во время каждого цикла.

Исследования по фотообесцвечиванию показали, что ядерные и цитоплазматические концентрации BCD находятся в динамическом равновесии на короткой временной шкале. Диффузия BCD была медленной, поэтому неясно как формировался градиент столь быстро после оплодотворения? Подсчеты диффузионных констант Bicoid-eGFP продемонстрировали постоянную картину транспорта Bicoid на короткой временной шкале, бросая вызов традиционной модели формирования дальндействующего градиента, согласно которой градиент является результатом локального синтеза белка, диффузии и пространственно униформной деградации. Вместо этого они предположили, что градиент BCD формируется за счет деградации белка внутри ядра. Эта гипотеза д. также решить проблему 'scaling', т.к. профиль установившегося состояния BCD в каждом эмбрионе зависит только от размера самого эмбриона. В следующей работе Gregor et al. делают попытку определить количественно точность и воспроизводимость позиционной информации. Они подсчитали, что 10% показатель концентрации необходим, чтобы надежно сделать отличимыми ядра от их соседей (т.е., величина ошибки д. быть менее 10%). Абсолютная концентрация BCD на половину длины эмбриона - т.е., там, где этот белок находит мишени Hunchback (HB) - чрезвычайно низка: имеется лишь 700 молекул на ядро, так что ядра д. обладать способностью отличать 70 molecules (10%). Авт. использовали это измерение для подсчета физических границ точности - установления границы с помощью собственных шумов в каждой физической системе - и установили, что она может достигать только точности в ~50%, Это указывает на то, что механизмы, иные чем граница снижения шумов, необходимы, чтобы достичь 10%. Когда авт. также измерили взаимоотношение ввод-вывод между BCD и HB, то они установили, что точность, с которой ядра могут измерять их концентрацию на половине длины эмбриона находится внутри 10% показателя достоверности. Они также установили 10% воспроизводимость пространственного профиля BCD между эмбрионами, значительно более высокую, чем сообщалось ранее. Это удивительное согласие в аккуратности с использованием различных измерений и экспериментальных подходов указывает на то, что формирование паттерна эмбрионов, по-видимому, не поражается шумами сигналов ввода и вариабельностью выводимых данных (readouts), а вместо этого контролируется точно и воспроизводимо. Следующая цель - понять механизмы, которые контролирует чрезвычайную точность и воспроизводимость.