Найден источник внутренней асимметрии животных

Хиральную асимметрию раковины прудовика задают белки цитоскелета

Kuroda Laboratory

Британские ученые обнаружили генетический механизм, который может устанавливать несимметричное расположение внутренних органов животных. Эта асимметрия закладывается еще на первых делениях эмбриона и начинается с работы клеточного скелета. Результаты новой работы публикует журнал Current Biology, о ней также рассказывает пресс-релиз Ноттингемского университета.

Спиральные улитки-прудовики Lymnaea stagnalis демонстрируют весьма очевидную хиральную асимметрию в направлении закручивания раковины. Это сделало их удобным объектом в исследовании, проведенном биологами из Великобритании во главе с профессором Эдинбургского университета Марком Блакстером (Mark Blaxter). Изучение генома улиток показало, что в основе появления асимметрии лежит работа белков форминов, которые участвуют в построении внутреннего скелета живой клетки.

Как объясняют авторы работы, ранее было продемонстрировано, что закручивание спиральной раковины по часовой стрелке является у прудовиков доминантным признаком, который кодируется единственным геном. У обладателей хотя бы одной доминантной копии D уже четыре клетки-бластомера в ходе третьего дробления оплодотворенной яйцеклетки формируют закрученную по часовой стрелке структуру. Все происходит в метафазу и анафазу деления, когда хромосомы выстраиваются вдоль экватора и затем растаскиваются к полюсам белковыми микротрубочками. В 2009 году японским ученым удалось, физически манипулируя восьмиклеточным эмбрионом, заставить его закрутиться в «неправильную» сторону. С другой стороны, тогда гены и механизмы их работы оставались неизвестны.

Три года назад группе Марка Блакстера удалось локализовать расположение этого «гена закручивания» в крупном участке ДНК (около 400 тысяч оснований). Теперь этот участок удалось секвенировать для гомозиготных и гетерозиготных по D прудовиков и определить «подозреваемых» – тандемно дуплицированные гены Ldia1 и Ldia2. Как оказалось, рецессивный ген, ведущий к закручиванию спирали против часовой стрелки, просто «сломан»: он несет делецию, которая вызывает сдвиг рамки считывания и ведет к синтезу нефункционального белка.

Гены Ldia1 и Ldia2 кодируют формины – белки, играющие ключевую роль в росте актиновых нитей клеточного скелета. Структура цитоскелета исключительно динамична, фактически, он непрерывно демонтируется в одних участках и достраивается в других. Но особенно активно это происходит на стадиях клеточного деления, когда движение микротрубочек и микрофиламентов обеспечивает перемещения хромосом – и, судя по всему, закладывает основы будущей асимметрии организма.

На роль этих генов указало и фармакологическое подавление активности форминов: ингибитор SMIFH2 нарушал формирование нормальной асимметрии и, конечно, приводил к смерти эмбрионов на ранних стадиях. При этом ингибитор CK-666, который действует, минуя формин, непосредственно на сами актиновые нити, имел другой эффект: он также приводил к гибели эмбрионов, однако их структура уже демонстрировала «нормальную» закрученность.

Выводы британских ученых подтвердили и их американские партнеры из группы профессора Университета Тафтса Майкла Левина (Michael Levin). Их эксперименты с разновозрастными эмбрионами лягушек Xenopus laevis, у которых была фармакологически подавлена активность форминов, продемонстрировали глубокие нарушения в формировании нормальной структуры тела и развитие гетеротаксии – нарушений в положении внутренних органов. По мнению авторов, это указывает на исключительную древность базовых механизмов, определяющих формирование асимметричного строения животных.

В самом деле, даже у внешне симметричных животных внутренние органы расположены асимметрично. Такая структура тела встречается у подавляющего большинства из них, включая клады линяющих (членистоногие, круглые черви и др.), спиральных (моллюски, кольчатые черви), вторичноротых (хордовые, иглокожие). Показано, что даже у таких далеко отстоящих друг от друга животных, как позвоночные (вторичноротые) и улитки (спиральные) в развитии асимметрии участвуют одни и те же гены, nodal и pitx. Однако самые ранние факторы, запускающие этот процесс на самых ранних стадиях жизни эмбриона, до сих пор оставались неизвестны: у тех же улиток он разворачивается еще до того, как в дело вступят эти гены.

Роман Фишман

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.