Обнаружено принципиальное сходство между развитием актинии и развитие позвоночных

В oнтoгeнeзe пoзвoнoчныx ключeвую рoль игрaeт “oргaнизaтoр Шпeмaнa—Мaнгoльд” — группa клeтoк, кoтoрaя нaxoдится кoнчик спиннoгo мoзгa блaстoпoрa нa стaдии гaструлы. Oргaнизaтoр прoизвoдит сигнaльныe бeлки, oргaнизaции пoвeдeния другиx зaрoдышeвыx клeтoк, тaк чтo oни в кoнeчнoм итoгe oкaзaлoсь, нoрмaльнoe тeлo. Пeрeсaдкa oтдeлa oргaнизaтoрa в прoизвoльнoe мeстo другoгo плoдa привoдит к фoрмирoвaнию дoпoлнитeльнoй oси тeлa (пoлучaются “сиaмскиe близнeцы”). Экспeримeнты нa эмбриoнax aктинии Nematostella пoкaзaли, чтo прeдстaвитeль нижe, чeм крaй блaстoпoрa являeтся aксиaльнoй oргaнизaтoрoм, и в oснoвe eгo рaбoты нaxoдится дeятeльнoсть oднoгo и тoгo жe нaимeнoвaния вoдoпaдa, чтo и пoзвoнoчныx (Wnt/b-catenin). Вмeстe с (дoвoльнo oтрывoчными) дaнныe для рaбoты oргaнизaтoрoв другиx бeспoзвoнoчныx были oбнaружeны фaкты пoкaзывaют, чтo блaстoпoрaльный oсeвoй oргaнизaтoр — дрeвняя структурa, которая существовала уже в общего предка книдарий и билатерий.

Открытие Ганса Шпемана (Hans Spemann) и Хильды Мангольд (Hilde Mangold), показали, что небольшой участок гаструлы (дорзальная губа бластопора), по существу, делает окружающие клетки, чтобы собраться в сложный целостный организм (рис. 1), стал поворотным моментом в развитии эмбриологии. Этот эксперимент открыл завесу тайны над основополагающие принципы онтогенеза многоклеточных (см.: Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи ум, и т. д.?) и описал направления дальнейших исследований, которые в конечном итоге создали современной эволюционной биологии развития (evolutionary developmental biology, evo-devo).

Решающую роль в формировании и работе шпемановского организатора играет сигнальный каскад Wnt/b-catenin (см. Wnt signaling pathway). Для того, чтобы создать полноценный эктопический (т. е. находится в неправильном положении) организатор, способный обеспечить формирование дополнительной оси тела, то достаточно включить в какой-то бластомере много генов — компонентов каскада Wnt/b-catenin (в случае шпорцевой лягушки Xenopus это гены Wnt-1, Xwnt-8, dishevelled, b-catenin) — и отключить один ген, подавляющий работу водопад (GSK3β).

Бластопоральный осевой организатор был открыт и подробно изучен у земноводных. Это его эволюционное происхождение долгое время оставалось неясным. Такой уникальной особенностью позвоночных; Или гомологичные эмбриональные структуры, есть и другие животные, и тогда, в момент возникновения бластопорального организатор должен нажать вверх, то в прошлом — может быть, в общих предков всех вторичноротых, билатерий, Eumetazoa или вообще все животные?

Наличие осевых организаторов — группы клеток, пересадка которых вызывает развитие дополнительных осей тела — ранее было доказано в ряде беспозвоночных: морских ежей, мечехвостов, пауки, кольчатых червей, гидроидных полипов и другие. Но нет твердой уверенности, что эти осевые организаторы облигации организатора Шпемана—Мангольд. В принципе, организаторы могли возникать независимо в разных эволюционных линиях, и их работа, гипотетически может быть основан в различных сигнальных каскадах, которые в ходе эволюции участвовали (“кооптировались”) для выполнения аналогичных функций.

Например, кажется, что приротовой конус (гипостом) взрослой пресноводной гидры, если пересадка в стенке тела полипа другой, вызывает образование дополнительной оси тела, — полипов близнеца. Так, гипостом гидры является осевой организатором. Тем не менее, отличается от шпемановского организатора, по крайней мере, тот факт, что он работает в стадии взрослого организма, и не гаструлы, и прилегает не бластопору и в полости рта взрослых людей. Гаструляция у гидры происходит так, что бластопор, следовательно, не образуется (способы гаструляции книдарий чрезвычайно разнообразны, см: Юлия Краус. Гаструляция книдарий: ключ к пониманию филогенеза или хаос вторичные изменения?). Кроме того, молекулярные основы работы осевого организатора гидры известны только в общем (кажется, что работа связана с каскада Wnt/b-catenin, но детали не известны).

Наиболее удобным объектом для выяснения вопроса о том, если он ниже, чем бластопоральный осевой организатор, гомологичный организатора Шпемана—Мангольд, таблицы Nematostella (см.: Геном актинии было почти так же трудно, как и человека, “Элементы”, 11.07.2007). Он, в отличие от гидры, гаструляция инвагинационная (происходит путем впячивания), и, следовательно, имеется хорошо выраженный бластопор.

Юлия Краус кафедрой биологической эволюции биофака МГУ, и его коллеги из университета вены ранее показали, что это не актинии трансплантации фрагмента губы бластопора (но не в другие части плода) вызывает образование внематочная оси тела, т. е. актинии близнеца. Так, нематостеллы, как и позвоночные, есть бластопоральный осевой организатор (Y. Краус et al., 2007. The blastoporal ежедневник of a sea anemone).

В новой статье, опубликованной в журнале Nature Communications, Краус и ее коллеги сообщают о результатах дальнейшего расследования этого организатора, производительности, что не только общие свойства и расположение, а также молекулярные основы его работы аналогичны позвоночных.

Предварительные исследования показали, что искусственная активация сигнального каскада Wnt/β-catenin может привести к формированию дополнительной оси тела (для этого авторы с помощью системы CRISPR/Cas9 выводили из строя ген APC, подавляющее работу каскада Wnt/b-catenin). Так что, это каскад с большой вероятностью действительно связано с работой организатора. Теперь надо было решить аналитически.

В геном актинии есть как 13 генов, которые кодируют различные версии внеклеточного сигнала белка Wnt. На стадии гаструлы они экспрессируются в различных частях плода. Потому что свойства осевого организатор имеет только губа бластопора, авторы сосредоточены на пяти из них: Wnt1, Wnt2, Wnt3, Wnt4 и WntA. Областей экспрессии этих генов на стадии средней гаструлы накладываться друг на друга, частично перекрывающихся кольца вокруг бластопора. Чтобы еще больше сузить круг подозреваемых, авторы провели ряд экспериментов по трансплантации (рис. 2). Это позволило установить, что наиболее выраженный организующей способности имеют клетки, которые находятся в изгибе губ бластопора (сектор 2 на рис. 2). В этой области экспрессируются Wnt1, Wnt3, WntA и, возможно, Wnt4, но не Wnt2. Таким образом, их осталось четверо “подозреваемых”.

Рис. 2. Эксперименты для точного отслеживания фазы губы бластопора, вызывая образование дополнительных оси тела. Слева — схема опыта , справа — результаты. Фрагмент одного из четырех областей губы бластопора пересаживался на аборальную другой стороны гаструлы (вверху слева). Это привело в одном из трех случаев: либо он имеет обычный полип без дополнительной оси (этот вариант на картинке выделены светло-зеленым цветом), либо стояли незрелый кроме того полип (красный цвет), либо развивалась полный второй оси тела (красно-коричневый цвет). Диаграмма справа показывает, что второй из четырех областях губы бластопора вызывает развитие само собой оси тела более эффективно. Красными стрелками на фото, глотки полипы. На фотографии, которые изображают поперечный разрез гаструлы, серым цветом обозначена эктодерма, синий — эндодерма. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Авторы изготовили плазмиды, которые содержат каждый из четырех генов-кандидатов, и вкололи их в клетки эмбрионов. Было установлено, что выражение WntA и Wnt4 не приводит к формированию дополнительной оси тела, то экспрессия Wnt1 и Wnt3 иногда стимулирует рост частично создаются дополнительные полипы.

Самая мощная организация действия имеет общее выражение Wnt1 и Wnt3. Если эти гены работают вместе, в одной части плода, дополнительная ось тела формируется в 50% случаев, и много образуется, кроме того полипы оказываются полностью развитых. Пересадка клеток с искусственно вызванной эктопическая экспрессия этих генов работает так же, как и пересадка раздела домена 2 губы бластопора, т. е., клетки приобретают свойства осевой организатора.

Эти результаты показывают, что формирование “головы” (оральный конец тела) в нематостеллы действительно вызывается индикатор каскада Wnt/β-catenin, и Wnt1 и Wnt3 совместных усилий придавать организации свойства эмбриональных клеток.

Дополнительные эксперименты подтвердили этот вывод. В частности, авторы рассмотрели первые зародыши актинии вещество AZK (1-Azakenpaullone), которые без разбора активирует каскад Wnt/b-catenin во всех клетках (рис. 3, верхняя часть). Это привело к радикальной “орализации” эмбрионов. Другими словами, не стоял обычный аборальный конец тела (не взрослого полипа становится “нога”), и вместо этого вся аборальная сторона покрывалась складками, и небольшие отверстия, как плода пытался сделать себе рты везде (рис. 3).

Рис. 3. Искусственное усиление сигнала с помощью каскада Wnt/b-catenin приводит к “орализации” эмбрионов. Слева — упрощенная схема каскада Wnt/b-catenin. Внеклеточный сигнальный белок Wnt взаимодействует с рецепторами Фз. Это приводит к инактивации комплекса белков, включает в себя белок GSK3β. Этот комплекс находится в рабочем состоянии, инактивирует белок β-catenin. Освободившись от гнета GSK3β и партнеров, бета-катенин отправляется в ядро, где, через ряд промежуточных этапов, запускает экспрессию контролируемых генов (Target genes). Суть AZK подавляет функцию GSK3β, что приводит к увеличению входа бета-катенина в ядро, даже без внешней “команды”, распыление белка Wnt. j, k — плод актинии после обработки вещество AZK, в течение 72 часов после оплодотворения. j — устное стороны (видно бластопор), k — аборальная сторона, испещренная складками и мелкими отверстиями. l — нормальная личинка актинии (планула) через 72 часа после оплодотворения, вид сбоку. Имеет рот (бывший бластопор) в ротовой конец (отмечены звездочкой) и нормальная, ровная аборальная сторона с пучком ресничек (апикальным органом) в верхней части. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Кроме того, обработка веществом AZK приводит к тому, что кольцо экспрессии определенных генов Wnt (т. е. Wnt1, Wnt2 и Wnt4) отводится от бластопора и перемещаются в аборальном направлении. Очевидно, это означает, что в регуляции сигнальных каскадов c участием Wnt участвуют негативные отзывы: очень интенсивная передача сигнала (когда много бета-катенина проникает в ядро) тормозит выработку некоторых протеинов Wnt. Так или иначе, эмбрионы, обработанные AZK, области сотрудничества экспрессии гена Wnt1 и Wnt3 , оказывается, уже около бластопора и аборальной стороне. В соответствии с этим, клетки губы бластопора, полученные в этих эмбрионов, пересадка не в состоянии вызвать дополнительные оси тела у плодов-реципиентов. Но эту способность они приобретают аборальные клетки эмбрионов, обработанных AZK, — клетки, в которых наблюдается общее выражение Wnt1 и Wnt3.

Дополнительные эксперименты также показали, что на ранних стадиях развития Wnt1, Wnt3 и WntA экспрессируются в клетках pre-эндодермальной диски (которые затем, во время гаструляции, впячивается внутрь и дает старт эндодерме). Возможно, эти первые генов, участвующих в дифференцировке будущего эндодермы, а потом, отслужив эту услугу, чтобы перейти к следующей. Область их выражения расползается в стороны от эндодермы и приобретает вид кольца вокруг бластопора. Это кольцо и становится осевой организатора.

Авторы также изучили работу многих других генов на различных этапах внутриутробного развития актинии. Это позволило открыть дополнительные возможности, сходства между бластопоральными осевые организаторов актинии и позвоночных.

Все позвоночные шпемановский организатор участвует в формировании, как передне-задней полярности (ключевую роль в этом играет Wnt-каскад), так и спинно-брюшной (дорзо-вентральной). В шпемановском организатор шоу β-катениновый наименование начинается синтез “дорзализующих факторы” (конкурентов, BMP), такие как chordin (рис. 1); сторона тела, где воздействие BMP в клетках эктодермы подавляется из этих белков, становится спинной. Угловые симметричные книдарий, таких, как гидра, ось тела только один — орально-аборальная. Соответствует, очевидно, передне-задней оси билатерий. Но класс Anthozoa (коралловые полипы), к которому относится панель, есть также и вторая оси тела — “директивная оси”. Может быть гомологична дорзо-вентральной оси билатерий, а решающую роль в формировании играют гены Дпп и Chd, гомологичные гены, bmp4 и chordin позвоночных. Сначала Дпп и Chd экспрессируются равномерно вокруг бластопора, а затем, на стадии поздней гаструлы, область их выражения становится несбалансированным. Эта асимметрия и определяет директивную оси. Результаты, полученные авторами, показывают, что формирование директивной оси, основанный на работе BMP-водопад, на первых этапах контролируется системой передачи сигналов Wnt/β-catenin, но потом становится независимой от Wnt. Это очень похоже на то, что наблюдается у позвоночных.

Таким образом, актинии Nematostella, пресс-секретарь, “вниз”, есть бластопоральный осевой организатор, похожие на шпемановским организатор позвоночных не только в целом, но и на многие детали. Это серьезный аргумент в пользу признания (общего происхождения) этих эмбриональных структур. Очевидно, кт организатор, тесно связанный с бластопором, была уже у общего предка книдарий и билатерий. Получается, что основной механизм формирования полярности и оси тела, может появиться еще на заре эволюции животного царства, а затем представлено в различных вариациях в разных эволюционных линиях.

Источник: Юлию Краус, Энди Aman, Ulrich Technau & Grigory Genikhovich. Pre-bilaterian origin of the blastoporal axial organizer // Nature Communications. 2016. V. 7. Article number: 11694.

См. также об организаторах и функции Wnt/b-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) Генетических механизмов формирования сложных признаков выключается мягко, “Элементы”, 14.04.2010.

5) Планария — модельный объект для изучения регенерации у многоклеточных, “Элементы”, 16.05.2011.

6) Развитие 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.