Биологи Санкт-Петербургского университета впервые детально описали молекулярный механизм, отвечающий за разделение тела кольчатых червей на сегменты. Изучение процессов формирования повторяющихся модулей в развивающемся организме позволяет глубже понять эволюцию сложных животных и человека, а также механизмы регенерации тканей после повреждений. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Evolution and Development.
Поздняя трехсегментная личинка Alitta virens — нектохета, прижизненная микрофотография (передний конец тела слева). Фото предоставлено Виталием Козиным
Тело у большинства животных разделено на сегменты. Например, у дождевых червей оно состоит из множества одинаковых колец, а у насекомых — из головы, груди, брюшка и членистых ног. Сходные процессы лежат в основе формирования позвоночника, ребер, мышц туловища и нервной системы человека. Поэтому изучение сегментации у модельных организмов помогает понять, какие нарушения приводят к врожденным патологиям соответствующих органов и тканей у людей.
Специалисты Санкт-Петербургского университета впервые детально расшифровали молекулярный «сценарий» формирования тела кольчатых червей. В качестве модели биологи выбрали червя-нереиса Alitta virens, чьи гены развития очень консервативны и функционируют сходным образом с генами животных и человека.
Авторы работы проследили активность ключевых генов, определяющих границы сегментов — engrailed и wnt1 — на всех этапах развития: от эмбриона до молодой особи. Для этого ученые применили комплекс современных методов, позволивших визуализировать специфические клетки в тканях и выявить те, которые активируют синтез РНК с данных генов, а также зоны с наиболее интенсивным делением в организме червя.
В результате исследователи составили детальный молекулярный «портрет» сегментации нереиса. Выяснилось, что на ранних стадиях развития первым включается ген engrailed. В теле зародыша образуется несколько симметричных зон его максимальной активности, которые постепенно вытягиваются, формируя поперечные полосы. Эти полосы в точности соответствуют будущим границам сегментов.
Ген wnt1 активируется несколько позже. Изначально он работает на заднем полюсе зародыша, но в процессе развития зоны его активности также приобретают форму полос, подобно engrailed. Однако активность engrailed наблюдается как в передней, так и в задней части каждого формирующегося сегмента, а wnt1 — только в задней. Таким образом, зоны активности этих генов не просто соседствуют, а образуют сложную перекрывающуюся архитектуру.
Описанный процесс существенно отличается от механизма сегментации у других животных, например членистоногих (насекомых и ракообразных). У этой группы оба гена работают исключительно в задней части каждого будущего сегмента, их зоны активности находятся рядом, но не перекрываются. Еще 10−20 лет назад преобладала гипотеза об общем эволюционном происхождении и едином механизме формирования сегментов у червей и членистоногих.
«Наши данные представляют самые убедительные на сегодня доказательства того, что сегментированное тело — одно из наиболее успешных „изобретений“ эволюции — возникало в разных ветвях древа жизни независимо, а не было унаследовано от общего предка двусторонне‑симметричных животных (крупной группы, куда входит и человек)», — прокомментировал ведущий научный сотрудник кафедры эмбриологии СПбГУ Виталий Козин.
По его словам, в перспективе эти знания могут лечь в основу новых технологий, например в регенеративной медицине. Понимание того, как природа «строит» и «ремонтирует» сложные многосегментные структуры, способно помочь в разработке методов стимуляции восстановления тканей.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ
