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