Обнаружено фундаментальное сходство между развитием актинии и развития позвоночных

Онтогенез позвоночных является ключевым «организатор Шпемана—Мангольд» — группа клеток, расположенная в спинном края бластопора на стадии гаструлы. Организатор производит сигнальные белки, организующие поведение других эмбриональных клеток таким образом, чтобы они в итоге получился нормальный организм. Трансплантация фрагмента организатор в любое место другого зародыша, приводит к формированию дополнительной оси тела (получаются «сиамские близнецы»). Эксперименты на эмбрионах актинии Nematostella показали, что этого представителя низших многоклеточных края бластопора также осевая организатор, и в основе его работы лежит действие того же сигнального каскада, который позвоночных (Wnt/β-catenin). Вместе с (довольно отрывочными) данных о работе от организаторов, других беспозвоночных, найденных предполагают, что бластопоральный осевой организатор — древняя структура, существовала уже в предка книдарий и билатерий.

Открытие Ганса Шпемана (Hans Spemann) и Хильда Мангольд (Hilde Мангольд), показали, что небольшой кусок гаструлы (дорзальная губа бластопора) действительно заставляет окружающие клетки организовать в сложный целостный организм (fig. 1), стал поворотным пунктом в развитии эмбриологии. Этот опыт открыл завесу тайны о основные принципы онтогенеза многоклеточных (см.: Как клетки понимают, что некоторые должны стать волосами, другие костями, другие мозги и т. п.?) и наметил направления исследований, которые в конечном итоге дали начало современной эволюционной биологии развития (evolutionary developmental biology, evo-devo).

Ключевую роль в формировании и работе шпемановского организатор играет каскад Wnt/β-catenin (см. signaling Wnt pathway). Для создания эктопический (то есть, в неположенном месте) организатор, способный обеспечить формирование более чем одной оси тела, достаточно, чтобы активировать любую бластомере некоторых генов — компонентов каскада Wnt/β-catenin (в случае, если шпорцевой лягушки xenopus это гены Wnt-1, Xwnt-8, связок, β-catenin) — и отключить ген, подавляющий работу каскада (GSK3ß).

Бластопоральный осевой организатор был открыт, и, более подробно изучены рассеянный. Их эволюционное происхождение, долгое время не было ясно. Его присутствие одна особенность позвоночных? Или коллега зародышевые структуры и других животных, и то время, что бластопорального организатор должен нажать дальше в прошлое — может быть, к общим предкам всех позвонков, билатерий, Eumetazoa то есть, все животные?

Наличие осевых организаторов группы клеток, трансплантация, которая вызывает развитие более осей тела, ранее не было показано, что имеет множество беспозвоночных: морские ежи, мечехвостов, пауки, кольчатых червей, гидроидных полипов и других. Но есть твердая уверенность, что эти осевые, организаторы аналоги-организатор Шпемана—Мангольд. В принципе, организаторы могут возникнуть независимо в разных линиях эволюции, и его работа, гипотетически, может быть основана на различных сигнальных каскадах, которые в ходе эволюции участвуют («кооптировались») для выполнения подобной функции.

Например, показано, что приротовой конус (гипостом) взрослой гидры пресноводной, если пересадить его на стене с другим телом полипа, индуцирует образование более чем одной оси тела полипа-близнеца. Таким образом, гипостом гидра осевая организатора. Тем не менее, отличается от шпемановского организатор, как минимум, то, что работает в стадии взрослого организма, и не гаструлы и рядом не бластопору, и рот взрослого. Гаструляция у гидры происходит таким образом, что бластопор, как таковой, не сформирован (способы гаструляции книдарий крайне разнообразны, см.: Юлия Краус. Гаструляция книдарий: ключ к пониманию филогенеза или хаос вторичные изменения?). Кроме того, молекулярные основы работы осевой организатор гидры известны только в общих чертах (показано, что его работа связана с каскада Wnt/β-catenin, но детали неизвестны).

Наиболее удобным объектом для выяснения вопроса о низших многоклеточных бластопоральный осевой организатор, гомологичный организатор Шпемана—Мангольд, это актиния Nematostella (см.: Геном актинии был почти столь же сложным, как у человека, «Элементы», 11.07.2007). Она, в отличие от гидры, гаструляция инвагинационная (происходит путем впячивания), и, таким образом, прекрасно выражает бластопор.

Юлия Краус, с кафедры биологической эволюции биофака МГУ, и его коллеги из университета Вены ранее показали, что актинии трансплантации фрагмента губы бластопора (но не других частей зародыша) приводит к формированию эктопической оси тела, то есть, актинии-близнеца. Таким образом, нематостеллы, как и всех позвоночных, есть бластопоральный осевой организатор (Y. Kraus et al., 2007. The blastoporal organiser of a sea anemone).

В новой статье, опубликованной в журнале Nature Communications, Краус и его коллеги сообщают о результатах будущих исследований этого организатора, показывая, что не только общие свойства и местоположения, но также молекулярные основы его работы, как те, у позвоночных.

Предварительные опыты показали, что искусственная активация каскада Wnt/β-catenin может привести к формированию более осей тела (для этого, авторы с помощью системы CRISPR/Cas9 вытащил конструкции гена APC, подавляющий работу каскада Wnt/β-catenin). Это означает, что этот каскад с большой вероятностью действительно что-то делать с работой организатора. Теперь нам нужно понять в деталях.

В геном актинии целых 13 генов, которые кодируют различные версии signaling Wnt белка. На стадии гаструлы они экспрессируются в различных частях зародыша. Потому, что свойства осевой организатор имеет только губы бластопора, авторы сосредоточились на пяти из них: Wnt1, Wnt2, Wnt3, Wnt4 и WntA. Областей экспрессии этих генов в стадии средней гаструлы имеют вид концентрических, частично перекрывающихся кольца вокруг бластопора. Чтобы еще сильнее сузить круг поиска, авторы провели ряд экспериментов, трансплантации (fig. 2). Это позволило определить, что является более резким, организует группы имеют ячейки, расположенные в изгибе губ бластопора (сектор 2 на рис. 2). В этой зоне экспрессируются Wnt1, Wnt3, WntA , и, возможно, Wnt4, но не Wnt2. Таким образом, осталось четыре «подозрительных».

Рис. 2. Опыт о местоположении участка губы бластопора, индуцирующего образование более чем одной оси тела. Слева — схема опыта, справа — результаты. Фрагмент из четырех секторов губы бластопора пересаживался на аборальную сторону другой гаструлы (выше слева). Это привело к одному из трех результатов: или развивается обычный полип, без дополнительных осей (этот вариант на рисунке отмечены светло-зеленым цветом), или, формируется недоразвитый плату полип (рыжий цвет), или, развивался и второй оси тела (красно-коричневый). График справа показывает, что второй из четырех секторов губы бластопора стимулирует развитие избыточной валом тела более эффективно. Красными стрелками на фотографии показаны глотки полипы. На рисунках, представляющих срез гаструлы, серым обозначена эктодерма, синий — эндодерма. Изображение из обсуждения статьи в «Nature Communications

Авторы изготовили плазмиды, содержащие каждая из четырех генов-кандидатов, и стали инъецировать их в клетках эмбрионов. Оказалось, что выражение WntA и Wnt4 не приводит к образованию избытка осей тела, в то время как экспрессия Wnt1 и Wnt3 иногда, стимулирует развитие частично сформированы более полипов.

Самый мощный организатор действие имеет совместное выражение Wnt1 и Wnt3. Если эти гены работают вместе в одной и той же области зародыша, более оси тела формируется в 50% случаев, и многие из выпускников избыток полипы находятся в полной мере разработаны. Пересадки клеток с искусственно вызванного эктопической экспрессии этих генов работает так же, как трансплантата фрагменты сектор 2 губы бластопора, или то, как клетки приобретают свойство организатора.

Эти результаты показывают, что формирование «головы» (орального конца тела) нематостеллы действительно индуцируется каскад Wnt/β-catenin, и Wnt1 и Wnt3 совместные усилия дают организовав свойства эмбриональным клеткам.

Дополнительные эксперименты подтвердили этот вывод. В частности, авторы обработали первые зародыши актинии вещество СЛОЖЕНО (1-Azakenpaullone), которые без разбора активирует каскад Wnt/β-catenin во всех клетках (fig. 3, выше). Это привело к радикальному «орализации» эмбрионов. Другими словами, они не представляли обычный аборальный конец тела (у взрослого полипа становится «нога»), вместо того, все аборальная сторона покрывалась складками и с небольшими отверстиями, как если эмбрион пытался покончить себе рты во всех местах (fig. 3).

Рис. 3. Искусственное усиление передачи сигнала по каскаду Wnt/β-catenin приводит к «орализации» эмбрионов. Слева — упрощенная схема каскада Wnt/β-catenin. Внеклеточный сигнальный белок Wnt взаимодействует с приемником Фз. Это приводит к инактивации комплексом белка, включая белок GSK3ß. Этот комплекс, будучи в рабочем состоянии, инактивирует белок β-catenin. Освободившись от гнета GSK3ß и его сообщников, бета-катенин отправляется в ядро, где, через ряд промежуточных этапов, начинается экспрессия генов контролируется (Target генов). Вещество СЛОЖЕНО блокирует запуск GSK3ß, что ведет к усиленному потока бета-катенина в ядро, даже без внешней «команды», белка Wnt. j, k — эмбрионе актинии после лечения с веществом СЛОЖИТЬ, после 72 часов после оплодотворения. j — это оральная сторона (видимая бластопор), k — аборальная сторона, испещренная складками и с небольшими отверстиями. l — нормальная личинка актинии (планула) после 72 часов после оплодотворения, вид сбоку. Она имеет рот (ex-бластопор) оральном конце (отмеченные звездочкой) и обычный, мягкий аборальная сторона с пучком ресничек (апикальным органом) в верхней части. Изображение из обсуждения статьи в «Nature Communications

Кроме того, лечение вещество СЛОЖЕНО делает кольца экспрессия некоторых генов Wnt (то есть, Wnt1, Wnt2 и Wnt4) отойти от бластопора и движется в аборальном направлении. По-видимому, это означает, что в регуляции сигнальных каскадов c участием Wnt участвуют отрицательные обратные связи: очень интенсивная передачи сигнала (когда большое количество бета-катенина приходит в ядро), угнетает выработку некоторых протеинов Wnt. Так или иначе, эмбрионы, обработанные СЛОЖИТЬ, гостиный совместной экспрессии генов, Wnt1 и Wnt3 бывает, что уже не около бластопора, и аборальной стороны. В соответствии с этим, ячейки губы бластопора приняты такие эмбрионы, при пересадке уже не способны наводить больше оси тела эмбриона-рецепторов. Но эта способность приобрести аборальные клеток эмбрионов, обработанных СОГНУТО, те же клетки, что наблюдается общее выражение Wnt1 и Wnt3.

Дополнительные эксперименты также показали, что на ранних этапах Wnt1, Wnt3 и WntA экспрессируются в клетках, предварительно эндодермальной альбомы (которые после этого, во время гаструляции, впячивается внутрь и дает начало эндодерме). Возможно, эти гены во-первых, участвующих в дифференцировке будущем эндодермы, а потом, после службы этот сервис, переходите к следующему. Область его выражения распространяется в стороны от эндодермы и принимает форму кольца вокруг бластопора. Это кольцо и становится осевой организатора.

Авторы также изучили работу многих других генов на разных этапах развития зародыша актинии. Это позволило обнаружить больше черт сходства между бластопоральными осевые организаторы актинии и позвоночных.

Vertebrates шпемановский организатор участвует в формировании как передне-задней полярности (ключевую роль в этом процессе является Wnt-каскада), и спинно-брюшной (дорзо-вентральной). В шпемановском организатор бета-катениновый сигнал запускает синтез «дорзализующих факторов» (антагонистов BMP), такие как chordin (fig. 1); стороны тела, где воздействие BMP, клетки эктодермы подавило эти протеины, становится спинной. Все радиально-симметричные книдарий, таких, как гидра, ось тела, только один — орально-аборальная. Она соответствует, по-видимому, передне-задней оси билатерий. Но класс Anthozoa (коралловые полипы), к которому относится актиния, есть также второй оси тела — «директивная оси». Может быть, она гомологична дорзо-вентральной оси билатерий, так как ключевую роль в ее формировании играют гены Гп и Ибс, гомологичные гены, bmp4 и chordin позвоночных. Во-первых, Гп и Ибс экспрессируются равномерно вокруг бластопора, а затем, на стадии поздней гаструлы, область его выражение становится асимметричной. Эта асимметрия и определяет директивную оси. Результаты, полученные авторами, показывают, что формирование директивной оси, на основе работы BMP-каскад, на начальных этапах контролируется сигнал системы Wnt/β-catenin, но потом становится независимой Wnt. Это очень похоже на то, что происходит в позвоночных.

Таким образом, актинии Nematostella, представитель низших многоклеточных», имеется бластопоральный осевой организатор, сходный шпемановским организатор позвоночных не только в общих чертах, но и во многих деталях. Это большой аргумент в пользу гомологии (общего происхождения), эти эмбриональных структур. По-видимому, осевой организатор, тесно связанный с бластопором, было уже общего предка книдарий и билатерий. Получается, что основной механизм формирования полярности и осей тела, возможно, была сформирована в начале эволюции животного царства и позже, претерпела несколько модификаций в различных эволюционных линий.

Источник: Зачатия Краус, Энди Аман, Ulrich Technau & Занавес Genikhovich. Pre-bilaterian origin of the blastoporal осевой организатор // «Nature Communications». 2016. Ст. 7. Article number: 11694.

См. также об организаторах и функции Wnt/β-catenin:
1) Развитие червей начинается с хвоста, «Элементы», 23.11.2006.
2) Разгадан механизм регенерации конечностей, «Элементы», 27.11.2006.
3) Белок–регулятор индивидуального развития управляет движением раковых клеток, «Элементы», от 18.04.2008.
4) Генетических механизмов формирования сложных сигналов постепенно проясняются, «Элементы», 14.04.2010.
5) Планария — модель, объект для изучения регенерации у многоклеточных, «Элементы», 16.05.2011.
6) Развитие части спинного мозга сначала регулируются централизованно, а затем переходят к правительство, «Элементы», 01.10.2014.
7) длинные плавники скатов — результат добавления новой точки роста, «Элементы», 22.12.2015.

Александр Марков, Юлия Краус

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.