Перетворення поліпа в медузу контролюється тією ж сигнальною системою, що і перетворення пуголовка в жабу • Олександр Марков • Новини науки на "Елементи" • Біологія розвитку, Еволюція, Генетика

Перетворення поліпа в медузу контролюється тією ж сигнальною системою, що і перетворення пуголовка в жабу

Мал. 1. Метаморфоз (стробіляція) медузи аурелії. поліп (D) Підрозділяється на численні сегменти (EG, Сегменти показані білими стрілками), Кожен з яких потім перетворюється в маленьку медузка – ефіру (HI). Зображення з обговорюваної статті в Current Biology

Для багатьох тварин характерний складний життєвий цикл з декількох етапів, сильно розрізняються за будовою і способу життя. Перехід від однієї стадії до іншої (метаморфоз) супроводжується радикальними змінами плану будови. Міжнародна команда дослідників виявила ключові гени, які ініціюють метаморфоз у медузи Aurelia aurita. При цьому виявилося дивовижну схожість генетичної регуляції метаморфоза у таких далеких груп, як кнідаріі (до яких відноситься медуза), комахи і хребетні. У всіх трьох випадках для запуску метаморфоза необхідний білок RxR – рецептор ретиноєвої кислоти, який утворює комплекс з іншим рецептором, що реагує на специфічний для даної групи "гормон метаморфоза" (тиреоїдний гормон у хребетних, екдизон у комах, нововідкритий пептидний "гормон стробіляціі" у кнідарій ). Мабуть, вже у загального предка кнідарій і білатерій (до яких відносяться і комахи,і хребетні) були компоненти генно-регуляторних каскадів, які беруть участь в регуляції складного життєвого циклу.

Прямий розвиток, при якому тварина все своє життя (не рахуючи ембріонального розвитку) має більш-менш однаковий план будови – як, наприклад, у ссавців – швидше виняток, ніж правило. У більшості тварин життєвий цикл влаштований складніше і включає стадії з різними планами будови і способами життя. Всім відомі приклади – гусениця і метелик, пуголовок і жаба. Перехід з однієї стадії в іншу, що супроводжується радикальною перебудовою організму, називається метаморфозом (див. Також Metamorphosis).

Про генетичної регуляції складних життєвих циклів і метаморфозів і їх еволюції відомо не так вже й багато. Детально вивчено метаморфоз тільки у комах і хребетних. Для них характерна складна нейрогуморальна регуляція метаморфоза, в якій ключову роль відіграють ядерні (тобто функціонують в клітинному ядрі) рецептори гормонів: RxR (retinoid X receptor – рецептор ретиноєвої кислоти, см. Retinoic acid), TR (thyroid hormone receptor – рецептор тиреоїдного гормону ) і EcR (ecdysone receptor – рецептор екдізона). Перший з цих білків (RxR) бере участь в ініціації метаморфоза і у хребетних, і у комах.Він активується 9-цис-ретиноєвої кислотою (9-cis-retinoic acid) і утворює комплекс (гетеродімер) або з TR (у хребетних), або з EcR (у комах). При наявності відповідного "гормону метаморфоза" (відповідно, тиреоїдного гормону або екдізона) цей гетеродімер активує гени, білкові продукти яких необхідні для здійснення метаморфоза.

По інших групах тварин є лише уривчасті відомості. Інтернаціональна команда біологів з Німеччини, Швеції, Хорватії та Росії поставила собі за мету розібратися в генетичній регуляції метаморфоза у медузи Aurelia aurita, Представника кнідарій – "базальної" групи справжніх багатоклітинних тварин (Eumetazoa), дуже далеко відстоїть як від комах, так і від хребетних.

Для аурелії, як і для більшості кнідарій (за винятком коралових поліпів і гідри), характерний життєвий цикл з чергуванням полипоидной і медузоидного стадій (рис. 2). З яйця розвивається плаваюча личинка – планула, яка потім прикріплюється до субстрату і перетворюється в сидячий поліп. Поліп може розмножуватися тільки безстатевим шляхом – брунькуванням. Взимку або на початку весни (а в лабораторних умовах – при зниженні температури до 10 ° С на досить довгий час) поліп аурелії приступає до стробіляціі – своєрідного метаморфозу.Спочатку поліп підрозділяється на безліч плоских дископодібних сегментів (на цій стадії він називається стробілов). Кожен сегмент потім перетворюється в крихітну медузка – ефіру (рис. 1). Ефіри переходять до свободноплавающий спосіб життя, швидко ростуть і незабаром перетворюються на дорослих медуз, що розмножуються статевим шляхом.

Мал. 2. Життєвий цикл аурелії. Малюнок з обговорюваної статті в Current Biology

Для початку автори переконалися, що стробіляція індукується якимось сигнальним речовиною (або речовинами). Для цього фрагменти поліпа, вже приступив до стробіляціі у відповідь на тривале пониження температури, трансплантували або згодовували іншому поліпу, який жив в теплій воді (18 ° С) і не збирався ні в кого перетворюватися. Виявилося, що поліп-реципієнт після такої процедури незабаром приступає до метаморфозу – особливо якщо шматочки поліпа-донора були взяті з центральної частини, подразделенной на сегменти, а не з головного кінця або підстави. Це означає, що метаморфоз дійсно індукується якимись сигнальними речовинами, концентрація яких максимальна в центральній частині стробіли.

Потім автори порівняли транскріптоми аурелії на стадії поліпа, стробіли і ефіри.Це дозволило виявити кілька генів, активність яких різко зростає в ході стробіляціі. У їх числі опинився ген RxR, Споріднений генам рецепторів ретиноєвої кислоти хребетних і комах. У цих тварин, як ми пам'ятаємо, білок RxR грає ключову роль в ініціації метаморфоза. Виявлений факт дозволив висунути інтригуюче припущення: що якщо регуляція метаморфоза у "нижчих" тварин, таких як кнідаріі, і "вищих" (білатерій) заснована на деяких загальних принципах?

Втім, спочатку потрібно було довести, що ретиноевая кислота і її рецептор RxR дійсно необхідні для метаморфоза у аурелії. Авторам вдалося це зробити декількома способами. Вони показали, що додавання в воду, де живуть поліпи, ретиноєвої кислоти або її попередника ретинолу стимулює стробіляцію не гірше, ніж зниження температури. Цей ефект слабшає або зовсім зникає, якщо додати у воду речовину, що блокує роботу білка RxR. Нарешті, якщо відключити ферменти, які синтезують ретиноевую кислоту з ретинолу, то додавання ретинолу перестає стимулювати стробіляцію, хоча додавання ретиноєвої кислоти як і раніше її стимулює.Ще один непрямий аргумент полягає в тому, що на сьогоднішній день відомі геноми семи видів кнідарій, три з яких мають медузоидного стадію – і у всіх трьох є ген RxR, А чотири її не мають – і у всіх чотирьох даний ген відсутній.

Таким чином, ретиноевая кислота і RxR дійсно беруть участь в ініціації метаморфоза у медузи: кнідаріі в цьому відношенні виявилися схожі з білатеріямі! Втім, у білатерій запуск метаморфоза – далеко не єдина функція ретиноєвої кислоти і її рецептора: ретиноєвий сигнальний каскад бере участь в регуляції багатьох процесів в ході розвитку (див .: Уточнено механізм, за яким розвиваються кінцівки у курячого ембріона, "Елементи", 14.06.2011 ). Крім нього, для ініціації метаморфоза потрібен спеціальний "гормон метаморфоза" і його рецептор, який об'єднується з RxR в гетеродімер. За ідеєю, у аурелії теж може бути щось подібне.

Тому автори не зупинилися на досягнутому і стали шукати інші компоненти регуляторної системи. Вони розсудили, що додаткові гени, що беруть участь в ініціації метаморфоза аурелії, повинні особливим чином реагувати на зміни температури.Адже поліпу потрібно відрізняти короткочасне, випадкове похолодання від тривалого зниження температури, що сигналізує про настання зими. Приступати до метаморфозу слід тільки в другому випадку: тоді медузи якраз встигнуть до літа досягти статевої зрілості і будуть розмножуватися в найбільш сприятливий час.

Вивчивши залежність активності генів від коливань температури, автори виявили ген, який вів себе в точній відповідності з їх очікуваннями. Цей ген під умовною назвою CL390 не має гомологів у інших тварин: можливо, він зустрічається тільки у сцифоїдних медуз або взагалі тільки у аурелії. При похолоданні експресія CL390 починає зростати і зростає до тих пір, поки температура залишається низькою (10 ° С). Через 6 днів рівень експресії стає в 5,5 раз вище базового, через 9 днів – в 31 разів, через 19 днів – в 110 000 разів. Якщо температура підвищується, експресія CL390 відразу падає. Таким чином, ген CL390 працює як свого роду годинник, що реєструють тривалість холодного періоду. Після досягнення певного рівня експресії CL390 (Приблизно в 15 разів вище базового, що відповідає 7-8 дням життя при низькій температурі) відбувається включення програми стробіляціі.Після цього потепління вже не може зупинити чи затримати метаморфоз.

Часткове блокування експресії CL390 за допомогою РНК-інтерференції призводить до затримки стробіляціі. З іншого боку, пересадка фрагментів стробіли поліпу, що живе при 18 ° С, активує експресію CL390. Автори отримали ряд непрямих аргументів на користь того, що RxR, активоване ретиноєвої кислотою, теж сприяє активації CL390. Мабуть, в цьому регуляторному контурі задіяний принцип взаємної активації ключових компонентів.

Проаналізувавши структуру білка CL390, автори прийшли до висновку, що він служить вихідним матеріалом для виробництва короткого пептиду з 7 амінокислот, який, по всій видимості, і грає роль "гормону стробіляціі" у аурелії. До складу пептиду входять два залишку амінокислоти триптофану, індольні кільця яких розташовуються по сусідству один з одним в перпендикулярних площинах. Вивчивши вплив на стробіляцію різних речовин зі схожою структурою, вчені зробили висновок, що ці-то індольні кільця і ​​грають ключову роль в індукції метаморфоза (тобто дозволяють "гормону метаморфоза" зв'язатися зі своїм рецептором).За аналогією з хребетними і комахами, логічно припустити, що у аурелії рецептор гормону метаморфоза (який поки не вдалося ідентифікувати) теж утворює гетеродімер з RxR (рис. 3).

Мал. 3. Система ініціації метаморфоза у амфібій (вгорі), Комах (у середині) І аурелії (внизу). Гени, необхідні для метаморфоза, включаються за допомогою димера з двох ядерних рецепторів. Перший з них – RxR, що активується 9-цис-ретиноєвої кислотою (9-cis RA) або подібними за структурою молекулами. У ролі другого рецептора у хребетних виступає TR, що реагує на тиреоїдний гормон, у комах – EcR, що реагує на екдизон, у медузи – не віднайдений поки рецептор, що реагує (імовірно) на пептидний гормон, що синтезується з білка CL390. Малюнок з обговорюваної статті в Current Biology

Автори вказують ще на одну інтригуючу аналогію – між тиреоїдних гормоном білатерій (він виявлений не тільки у хребетних, але і у ряду безхребетних) і "гормоном стробіляціі" аурелії. Тиреоїдний гормон фактично являє собою два йодованих залишку ароматичної амінокислоти тирозину, а "заготівлею" для його виробництва є повноцінна білкова молекула – тіроглобуліна (Thyroglobulin).Пептидний гормон аурелії теж виробляється з великого білка (CL390), а його "активний центр" утворений двома залишками ароматичної амінокислоти триптофану. Випадковий збіг, конвергенція або свідоцтво загального походження? Для відповіді на це питання даних поки недостатньо.

Таким чином, механізми запуску генетичної програми метаморфоза у хребетних, комах і кнідарій виявилися напрочуд схожими. Можливо, це говорить про те, що вже у загального предка цих груп (тобто у останнього спільного предка Eumetazoa) був складний життєвий цикл із метаморфозом. Або, може бути, метаморфоз у них розвинувся незалежно, але у всіх випадках для його регуляції був притягнутий один і той же ретиноєвий сигнальний каскад, яким він був у загального предка, але служив йому для інших цілей (для включення інших наборів генів).

джерело: Björn Fuchs, Wei Wang, Simon Graspeuntner, Yizhu Li, Santiago Insua, Eva-Maria Herbst, Philipp Dirksen, Anna-Marei Böhm, Georg Hemmrich, Felix Sommer, Tomislav Domazet-Lošo, Ulrich C. Klostermeier, Friederike Anton-Erxleben, Philip Rosenstiel, Thomas CG Bosch, Konstantin Khalturin. Regulation of Polyp-to-Jellyfish Transition in Aurelia aurita // Current Biology. 2014. V. 24 (3). P. 263-273.

Про функції ретиноєвої кислоти в регуляції розвитку см. Також:
Уточнено механізм, за яким розвиваються кінцівки у курячого ембріона, "Елементи", 14.06.2011.

Олександр Марков


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: