Обнаружил фундаментальное сходство между развитием актинии и развитие позвоночных

В онтогенезе позвоночник играет ключевую роль «организатор» Шпемана—Мангольд» — группа клеток, расположенных в спинномозговых края бластопора на стадии гаструлы. Организатор производит белки сигнализации, организует поведение других эмбриональных клеток, так что из них в конечном итоге доказали, нормальный организм. Пересадка фрагмента организатора в любое место другого эмбриона приводит к формированию дополнительной оси тела (получаются «сиамские близнецы»). Эксперименты на эмбрионах актинии Nematostella показали, что этот представитель низших многоклеточных края бластопора, также является осевым организатором, а в основе его работы лежит деятельность того же сигнального каскада, что и у позвоночных (Wnt/β-catenin). Вместе с ресурсами (довольно отрывочными) данные о деятельности организаторов от других беспозвоночных, выводы показывают, что бластопоральный осевой организатор — старая структура, там уже от общего предка, книдарий и билатерий.

Открытие Ханса Шпемана (Hans Spemann) и Хильдой Мангольд (Хильдой Мангольд), которые показали, что небольшой кусок гаструлы (дорзальная губа бластопора) на самом деле сделать, как клетки окружающих организовать в комплексе всего организма (рис. 1), стал поворотным пунктом в развитии эмбриологии. Этот эксперимент открыл завесу тайны над основные принципы онтогенеза многоклеточных (см.: Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. д.?) и намечены направления будущих исследований, которые в конечном итоге породили современной эволюционной биологии развития (evolutionary developmental biology, evo-devo).

Ключевую роль в формировании и деятельности шпемановского организатора играет сигнальный каскад Wnt/β-catenin (см. Wnt signaling pathway). Для создания эктопический (то есть, находящийся в неположенном месте) организатор, способный обеспечить формирование дополнительной оси тела, достаточно, чтобы включить в бластомере несколько генов — компонентов каскада Wnt/β-catenin (в случае шпорцевой лягушки Xenopus это гены Wnt-1, Xwnt-8, dishevelled, β-catenin) и отключить один ген, работа в каскаде (GSK3ß).

Бластопоральный осевой организатор был открыт и наиболее подробно изучены у земноводных. В этом эволюционное происхождение долгое время оставалось неясным. Если наличие его уникальная особенность позвоночных? Или гомологичных эмбриональных структур есть и другие животные, и когда появилась бластопорального организатор должен быть, чтобы подтолкнуть вперед в прошлое — может быть, из общих предков всех вторичноротых, билатерий, Eumetazoa или, вообще, всех животных?

Наличие осевой организаторов — группы клеток, пересадка органов, что вызывает развитие дополнительных осей тела, — ранее было показано, большое количество беспозвоночных: морских ежей, мечехвостов, пауков, кольца червей, гидроидных полипов и другие. Но нет уверенности, что эти осевые организаторы гомологичны организатора Шпемана—Мангольд. В принципе, организаторы могли возникнуть независимо в разных эволюционных линий, а их деятельность гипотетически может быть основана на различных сигнальных каскадах, которые в ходе эволюции были вовлечены («кооптировались») для выполнения аналогичных функций.

Например, показано, что приротовой con (гипостом) взрослой пресноводной гидры, если пересадить его в стенке тела другой полипа, индуцирует формирование дополнительной оси тела полипа-близнецы. Таким образом, гипостом hydra является осевым организатором. Тем не менее, он отличается от шпемановского организатора, по крайней мере, тем, что работает в стадии взрослого организма, не гаструлы, и не присоединяется к бластопору, а в рот взрослого. Гаструляция у гидры происходит так, что бластопор как таковой вообще не формируется (способы гаструляции книдарий чрезвычайно разнообразны, см.: Юлия Краус. Гаструляция книдарий: ключ к пониманию филогенеза или хаос вторичные изменения?). Кроме того, молекулярные основы осевой организатора hydra известны только в общих чертах (это показывает, что его деятельность связана с каскада Wnt/β-catenin, но подробности не известны).

Более удобным объектом для выяснения вопроса, имеет низших многоклеточных бластопоральный осевой органайзер, гомологичный организатора Шпемана—Мангольд, это актиния Nematostella (см.: Геном актинии был почти таким же сложным, как у человека, «Элементы», 11.07.2007). Она, в отличие от гидры, гаструляция инвагинационная (происходит путем впячивания), и, следовательно, имеется хорошо выраженный бластопор.

Юлия Краус с кафедры биологической эволюции биофака МГУ, и ее коллеги из Венского университета, ранее показали, что актинии пересадка фрагмента губы бластопора (но не в других частях зародыша) вызывает формирование эктопической оси тела, то есть анемоны-близнецы. Таким образом, нематостеллы, как и у 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 ее коллеги сообщили о результатах исследования этого организатора, которые показали, что не только общие свойства и местоположения, но и молекулярные основы его работы схожи с теми, на позвоночных.

Предварительные эксперименты показали, что включение искусственного сигнального каскада Wnt/β-catenin может привести к формированию дополнительной оси тела (для этого, авторы при помощи системы CRISPR/Cas9 выведены из строя ген APC, работа в каскад Wnt/β-catenin). Таким образом, этот каскад с большой долей вероятности действительно как-то связан с организатором. Теперь нужно понять в деталях.

В геном актинии имеет целых 13 генов, кодирующих различные версии внеклеточного белка сигнализации Wnt. На стадии гаструлы они экспрессируются в различных частях зародыша. Потому что свойства осевой организатора имеет только губы бластопора, авторы сосредоточились на пяти из них: Wnt1, Wnt2, Wnt3, Wnt4 и WntA. Области экспрессии этих генов в стадии средней гаструлы имеют вид концентрических, перекрывая частично кольца вокруг бластопора. Для того, чтобы сильнее, чтобы сузить поиск, авторы провели ряд экспериментов по трансплантации (рис. 2). Это позволило установить, что наиболее выраженный организует способностью обладают клетки, расположенные на кривой губы бластопора (сектор 2 на рис. 2). В этой зоне экспрессируются Wnt1, Wnt3, WntA и, возможно, Wnt4, но не Wnt2. Таким образом, осталось четыре «подозреваемых».

Рис. 2. Эксперименты точной локализации участка губы бластопора, индуцирующего формирование дополнительной оси тела. Слева — схема опыта, справа — результаты. Отрывок из одной из четырех секторов губы бластопора пересаживался на аборальную сторону другой гаструлы (вверху слева). Это привело к одному из трех результатов: либо развивалась нормально полип без дополнительных осей (этот вариант на рисунке отмечен светло зеленый цвет), либо образовалась недоразвитый дополнительный полип (красный цвет), либо s-разработал второй оси тела (красно-коричневый цвет). Диаграмма справа показывает, что второй из четырех секторов губы бластопора вызвать развитие избыточного оси тела наиболее эффективно. Красными стрелками на фотографии глотки полипы. В цифрах, представляющими поперечный срез гаструлы, серый отмеченные эктодерма, синий — эндодерма. Изображение из обсуждаемых статей в Nature Communications

Авторы изготовлен плазмиды, которые содержат каждый из четырех генов-кандидатов, и они вводили их в клетки эмбрионов. Было установлено, что выражение WntA и Wnt4 не приводит к образованию лишнего оси тела, в то время как экспрессия Wnt1 и Wnt3 иногда, стимулирует развитие частично дополнительных форматов полипов.

Самый мощный организует действие имеет общего выражения Wnt1 и Wnt3. Если эти гены работают вместе, в том же районе зародыша, то дополнительные оси тела формируется в 50% случаев, и многие из дополнительных форматов полипов полностью развиты. Пересадка клеток, с искусственно вызванные эктопической экспрессии этих генов работает так же, как и пересадка фрагментов из сектора 2 губы бластопора, то есть, таких, как клетки приобретают свойства осевой организатора.

Эти результаты показывают, что формирование «головы» (устно конце тела) в нематостеллы действительно индуцируется сигнальный каскад Wnt/β-catenin, а Wnt1 и Wnt3, совместными усилиями, дают организует свойства эмбриональным клеткам.

Дополнительные эксперименты подтвердили этот вывод. В частности, авторы были первыми эмбрионов актинии веществом AZK (1-Azakenpaullone), которые неизбирательно действует каскад Wnt/β-catenin во всех клетках (fig. 3, выше). Это привело к радикальным «орализации» эмбрионов. Другими словами, они не сформировались нормально аборальный конец тела (у взрослого полипа становится «нога»), но, вместо этого, все аборальная часть была покрыта складки и небольшие отверстия, как если бы эмбрион пытался сделать некоторые себе рот во всем мире (рис. 3).

Рис. 3. Искусственное усиление передачи сигнала по каскаду Wnt/β-catenin привести к «орализации» эмбрионов. Слева — упрощенная схема каскада Wnt/β-catenin. Внеклеточный сигнальный белок Wnt взаимодействуют с приемником Фз. Это приводит к инактивации комплекса белка, который включает в себя белки GSK3ß. Этот комплекс, будучи в рабочем состоянии, инактивировать белок β-catenin. Освобожден из-под ига GSK3ß и его сообщников, бета-катенин послал в ядро, где, через ряд промежуточных ступеней, запускает экспрессию под контролем генов (Target разработка генов). Вещество AZK блокирует деятельность GSK3ß, что приводит к интенсивной взыскании бета-катенина в ядро, даже без внешней «команды», танк белок Wnt. j, k — эмбрион актинии, после обработки веществом AZK, после 72 часов после оплодотворения. j — его оральная часть (видно бластопор), k — аборальная часть, испещренная складками и сеткой. l — нормальная личинка актинии (планула) после 72 часов после оплодотворения, вид сбоку. Она имеет рот (например, бластопор) в устной конца (отмечен звездочкой) и нормально, гладко, аборальная сторона с пучком ресничек (апикальным органом) на вершине. Изображение из обсуждаемых статей в Nature Communications

Кроме того, обработка веществом AZK приводит к тому, что кольца экспрессии некоторых генов Wnt (а именно Wnt1, Wnt2 и Wnt4) идут в бластопора и движется в аборальном направлении. По-видимому, это означает, что в регуляции сигнальных каскадов с участием Wnt участвует негативные отзывы: слишком интенсивной передачи сигнала (когда много бета-катенина входит в ядро), подавляет выработку определенных белков Wnt. Так или иначе, у эмбрионов, обработанных AZK, общая площадь экспрессии генов Wnt1 и Wnt3 , оказывается, не около бластопора, а на аборальной стороны. В соответствии с этим, клетки губы бластопора, взятых от таких эмбрионов при пересадке не способны вызвать дополнительные оси тела из эмбрионов контейнеры. Но эта способность приобрести аборальные клеток эмбрионов, обработанных AZK, — те самые клетки, в которых наблюдается общее выражение Wnt1 и Wnt3.

Дополнительные эксперименты также показали, что более ранних стадиях развития Wnt1, Wnt3 и WntA экспрессируются в клетках пре-эндодермальной пластин (которые затем, в ходе гаструляции, впячивается внутрь, и порождает эндодерме). Вероятно, эти гены сначала участвует в дифференцировке будущих эндодермы, а затем, после того, как этот сервис, переходим к следующему. Область их выражение расползается в стороны от эндодермы и становится своего рода кольцо вокруг бластопора. Это кольцо и становится осевым организатором.

Авторы изучали также работу многих других генов в различных стадиях эмбрионального развития актинии. Это позволило выявить дополнительные черты сходства между бластопоральными осевыми организаторы актинии и позвоночных животных.

В позвоночных шпемановский организатор участвует в формировании как передне-задняя полярность (ключевую роль в этом смысле является Wnt-каскад), так и в спинно-брюшной (дорзо-вентральной). В шпемановском организатор бета-катениновый сигнальный вызывает синтез «дорзализующих факторов» (антагонистов BMP), такие как chordin (рис. 1); ту часть тела, где воздействие BMP на клетки эктодермы блокирование этих белков, становится спинного мозга. От радиально симметричных книдарий, таких как hydra, оси тела, только один — орально-аборальная. Она соответствует, кажется, спереди-задней оси билатерий. Но к классу Anthozoa (коралловых полипов), к которым относится актиния, есть также и второй оси тела — «директивная оси». Может быть, она гомологична дорзо-вентральной оси билатерий, потому что ключевую роль в формировании играют гены Dpp и Ибс, гены, гомологичные bmp4 и chordin позвоночных. Сначала Dpp и Ибс экспрессируются равномерно вокруг бластопора, а затем, на стадии поздней гаструлы, области их выражения становится асимметричной. Это несоответствие и определяет директивную оси. Результаты, полученные авторами, показывают, что формирование директивной оси, основанной на активности BMP-каскад, в ранних стадиях контролируется сигнальной системы Wnt/β-catenin, но затем становится независимым от Wnt. Это очень похоже на то, что наблюдается на позвоночных.

Таким образом, актинии Nematostella, представитель «низших многоклеточных», имеет бластопоральный осевой организатор, который похож на шпемановским организатор позвоночных, не только в общих чертах, но и во многих деталях. Это серьезный аргумент в пользу гомологии (общего происхождения) этих структур эмбриона. Казалось бы, упорный организатор, тесно связаны с бластопором, там уже от общего предка, книдарий и билатерий. Кажется, что основной механизм формирования полярности и осей тела, вероятно, сформировались еще на заре эволюции животного мира, а в дальнейшем был разнообразный моделей от разных эволюционных линий.

Источник: Юлия Краус, Энди Aman, Ulrich Technau & Grigory Genikhovich. Предварительно bilaterian origin of the blastoporal осевой organizer // 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», 18.04.2008.
4) Генетические механизмы формирования сложных признаков, постепенно проясняются, «Элементы», 14.04.2010.
5) Планария — модель, объект для изучения регенерации у многоклеточных, «Элементы», 16.05.2011 г.
6) развивающиеся части спинного мозга сначала регулируются централизованно, а затем переходят на самоуправление, «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.