Круглые черви покормили личинок желточным молоком

Биологи обнаружили у нематод Caenorhabditis elegans аналог грудного молока. Оказалось, что, завершив откладку яиц, гермафродитные особи данного вида преобразуют ткани собственного кишечника в питательный желток, который служит кормом для их личинок и сородичей по колонии. При этом часть желтка упакована в неоплодотворенные яйца. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Nature Communications.

Гермафродитные особи нематод Caenorhabditis elegans, которые сначала производят сперматозоиды, а затем яйцеклетки, начинают стремительно стареть уже через несколько дней после достижения половой зрелости. Израсходовав запас спермы к четвертому дню взрослой жизни, они постепенно перерабатывают собственный кишечник в желток. Подобные изменения напоминают те, что происходят в организмах животных, которые размножаются один раз в жизни и после этого умирают, например, некоторых тихоокеанских лососей (Oncorhynchus). Впрочем, остается неясным, зачем червям перед смертью превращать внутренние органы в желток.

Разобраться в данном вопросе решила команда биологов главе с Дэвидом Джемсом (David Gems) из Университетского колледжа Лондона. Чтобы изучить, как в организме C. elegans образуется желток, они помечали производимый ими вителлогенин (белок-предшественник желтка) зеленым флуоресцентным белком. Вскоре после этого исследователи заметили, что давшие потомство гермафродитные особи оставляют на поверхности чашек Петри следы вещества, содержащего флуоресцентный белок. Судя по всему, нематоды каким-то образом выделяли желток в окружающую среду.

Наблюдения показали, что гермафродитные особи С. elegans производят больше всего вителлогенина на четвертый-шестой дни после начала взрослой жизни, завершив откладку яиц. Затем его синтез продолжается на более низких уровнях вплоть до 14 дня с начала взрослой жизни. Желток, который помимо белков также содержит липиды, выделяется небольшими порциями из женского полового отверстия — вульвы, иногда вместе с неоплодотворенными яйцеклетками.

Производимый нематодами желток богат питательными веществами, поэтому Джемс и его коллеги предположили, что он служит пищей для личинок. Пометив желток зеленым флуоресцентным белком, исследователи обнаружил следы этого соединения в кишечниках юных нематод. Более того, выяснилось, что личинки на стадии L2 лучше растут на чашках Петри, где до этого находились гермафродитные особи, только что отложившие яйца. Когда авторы с помощью РНК-интерференции заблокировали у взрослых нематод процесс накопления вителлогенина, этот положительный эффект исчез. Напротив, ускорив накопление данного белка, ученые добились еще более активного роста личинок.

На следующем этапе исследователи проверили, приносит ли желток, выделяемый нематодами, пользу их собственному потомству. Для этого они помещали на чашки Петри гермафродитных особей C. elegans, которые достигли взрослого состояния три дня назад, и ждали, пока те отложат яйца. После этого одним особям позволяли остаться в чашке и выделить желток, а других убирали сразу после кладки яиц. Проследив за развитием вылупившихся из яиц личинок, ученые пришли к выводу, что юные черви, которые имеют доступ к желтку матерей, растут лучше. В дополнительном эксперименте отложивших яйца матерей убрали и тут же заменили другими гермафродитными особями, не способными накапливать вителлогенин. В результате личинки росли хуже.

Таким образом, гермафродитные особи C. elegans действительно производят желток, чтобы обеспечить пищей потомство. Подобная стратегия не только обеспечивает личинкам ускоренный рост, но и позволяет им быстрее восстанавливаться после стресса, раньше приступать к размножению и оставлять больше потомства. Иными словами, желток нематод выполняет ту же функцию, что и молоко млекопитающих. Авторы предлагают называть эту субстанцию желточным молоком и указывают, что с точки зрения состава белков между ним и грудным молоком есть умеренное сходство. (о других видах пищи, которыми разные животные снабжают потомство, вы можете прочитать в нашем материале «Немолоко»).

Исследователи также обратили внимание на неоплодотворенные яйца, которые гермафродитные особи откладывают после того, как у них перестает вырабатываться сперма (таких яиц бывает около ста). Традиционно считалось, что их производство — бессмысленная трата ресурсов. Однако, поскольку такие яйца выходят из организма червя вместе с желтком, они также могут служить пищей для личинок. Кроме того, внутри них содержится желток. Когда личинкам предлагали желточное молоко и неоплодотворенные яйца, те с одинаковой охотой ели и то, и другое. Судя по всему, такие яйца служат своеобразными контейнерами для доставки желточного молока юным особям.

В естественных условиях C. elegans живут плотными сообществами, которые состоят из клонов, появляющихся в результате самооплодотворения гермафродитных особей. Когда гермафодитные особи выделяют желточное молоко, этот ресурс становится доступен не только их собственным личинкам, как в экспериментах, но и другим членам колонии. Таким образом, эволюцию этого признака мог двигать родственный отбор. Гермафродитные особи способны быстро размножаться, оплодотворяя сами себя, что позволяет им быстро заселять новые участки. Но, когда пища — микроорганизмы — здесь истощается, для поддержания колонии требуется новый ресурс, которым и становится желточное молоко.

C. elegans — один из самых популярных и хорошо изученных лабораторных организмов. Тем не менее биологи до сих пор узнают о нем что-то новое. Например, недавно китайские и американские исследователи доказали, что эти нематоды могут слышать всей поверхностью тела, используя кутикулу как аналог барабанной перепонки.

Сергей Коленов