Российские ученые описали неизвестное ранее семейство белков, распространенных среди беспозвоночных животных. Вероятно, его представители участвуют в процессе энергетического обмена, который важен для превращения личинки во взрослую форму. Подобные открытия проливают свет на понимание принципов работы организмов и могут помочь восстановить ход эволюции многоклеточных организмов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Open Biology.
Личинка губки Halisarca dujardinii с флуоресцентной меткой на ДНК (синий) и тубулин — белок жгутиков, находящийся в поверхностных клетках (желтый). Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия, 100-кратное увеличение. Источник: Илья Борисенко
Губки — одна из древнейших ветвей в эволюции многоклеточных животных, появившаяся задолго до человека. Изучая процессы их жизнедеятельности, можно предположить, каковы они были у древних существ, а также воспроизвести их экспериментально. Именно поэтому губки часто становятся объектом исследований молекулярной эволюции и эволюции строения тела животных.
Одно из популярных направлений работ связано с изучением развития и регенерации губок. Жизненные циклы этих беспозвоночных очень разнообразны, а способности к восстановлению почти безграничны: можно разделить губку на клетки, и она соберется заново. Это дает большой простор для экспериментов и наблюдений за развитием животного с самых ранних стадий, когда зародыш формируется внутри материнского организма. По мере созревания подвижная личинка выходит в окружающую среду, оседает на субстрат, прикрепляется и начинает свое превращение (метаморфоз) в маленькую зрелую губку. Стадии развития известны, однако до сих пор непонятна биохимия этого процесса, в частности особенности энергообмена. Без их знания не удастся понять, как совершенствовался метаморфоз в ходе сотен миллионов лет эволюции и почему он пошел по определенному пути.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Института биологии развития имени Н.К. Кольцова РАН (Москва), Института цитологии РАН (Санкт-Петербург), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и Университета Экс-Марселя (Франция) определили последовательность нового белка личинок губок, который назвали ильборин. Аналоги этого белка также обнаружены у стрекающих (тип многоклеточных животных, к которому относятся, например, гидры), плоских червей и иглокожих — однако до сих пор не было известно, какую роль он играет в организме и зачем связывается с ионами кальция.
Группа профессора кафедры эмбриологии СПбГУ Александра Ересковского уже много лет разрабатывает модель морфогенезов на морской губке Halisarca dujardini. Ученые исследуют эмбриональное развитие, процессы метаморфоза и регенерации. В метаморфозе принимают участие жгутиковые клетки, покрывающие личинку губки, — ранее авторы выяснили, что в них содержится белок ильборин. Он играет важную роль в соединении клеток и связывает ионы кальция, без которых личинка буквально рассыплется. Правда, тогда он не был идентифицирован — это стало возможно лишь с появлением методов высокопроизводительного секвенирования РНК.
В новом исследовании ученые собирали морских губок H. dujardini в районе Морской биологической станции СПбГУ в Белом море и содержали в аквариумах при температуре 14°С, комфортной для размножения. Личинки переносили в искусственную морскую воду без кальция и при помощи центрифуги разделяли их на клетки. Из жгутиковых клеток извлекали белки, строение которых выявляли с помощью масс-спектрометрии, а геномную последовательность — посредством секвенирования. Среди них оказался и ильборин. Также ученые провели компьютерный анализ белков-гомологов, произошедших от общего с ильборином предка, у различных животных.
В новом белке обнаружили два домена — так называют особые участки белков, которые имеют сходные функции и строение у разных организмов. Один домен отвечает за связывание ионов кальция и встречается во многих белках, реагирующих на уровень этого металла в клетке. Второй часто находится в ферментах, которые способны ускорять химические реакции и участвуют в обмене веществ. Компьютерный анализ показал, что ильборин может взаимодействовать с одним из важнейших соединений — аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ), служащей универсальным источником энергии. Сопоставив данные о том, в каких клетках личинки находится белок и какие функции может выполнять, ученые предположили, что он, вероятно, участвует в энергетическом обмене и вовлечен в метаморфоз у личинок губок.
«Пока неясно, какую конкретно роль играет новый белок в энергетическом обмене и как именно регулирует связывание ионов кальция. Широкое распространение гомологов ильборина среди беспозвоночных и его большое количество в жгутиковых личиночных клетках губок позволяет предположить, что он имеет важное значение в этом процессе. В будущем мы надеемся прояснить его функции», — комментирует один из авторов статьи Илья Борисенко, кандидат биологических наук, ассистент кафедры эмбриологии СПбГУ.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
