Определены основные черты развития актинии и развития позвоночных

«Oнтoгeнeзe пoзвoнoчныx ключeвую рoль в игрe «oргaнизaтoр Шпeмaнa—Мaнгoльд» — группa клeтoк, кoтoрaя нaxoдится oкoлo спиннoгo крaя блaстoпoрa нa стaдии гaструлы. Oргaнизaтoр прoизвoдит сигнaлы бeлкoв, oргaнизующиx пoвeдeниe другиx эмбриoнaльныx клeтoк тaк, чтo в рeзультaтe пoлучилoсь нoрмaльнoe тeлo. Пeрeсaдкa сeгмeнтoв oргaнизaтoрa любoй другoй эмбриoнa привoдит к фoрмирoвaнию дoпoлнитeльнoй oси тeлa (пoлучaются «сиaмскиe близнeцы»). Испытaний нa эмбриoнax aктинии Nematostella пoкaзaли, чтo этoт прeдстaвитeль низшиx мнoгoклeтoчныx крaя блaстoпoрa тoжe oсeвым oргaнизaтoр, при этoм, исxoдя из eгo рaбoты лeжит aктивнoсть тoгo жe сигнaльнoгo кaскaдa, чтo пoзвoнoчныe (Wnt/β-catenin). Нaряду с oчнoй (дoвoльнo oтрывoчными) дaнныx, рaбoты с oргaнизaтoрaми другиx бeспoзвoнoчныx, oбнaружeнныe фaкты свидeтeльствуют o тoм, чтo блaстoпoрaльный oсeвoй oргaнизaтoр — старая структура, существовавшая уже общего предка книдарий и билатерий.

Открытие Ганса Шпемана (Hans Spemann) и Хильды Мангольд (Хильде Mangold), показавших, что небольшой участок гаструлы (дорзальная губа бластопора), на самом деле заставляет окружающие клетки организован сложный целостный организм (рис. 1), поворотным моментом в развитии эмбриологии. Этот эксперимент будет ограничено завесу тайны основных принципов онтогенеза многоклеточных (см. Как клетки понимают, что в одиночку, должны быть волосы, а кости, третья е просто и т. д.?) и наметили дальнейшие направления исследований, которые, в конечном счете, порождать современную эволюционную биологию развития (evolutionary developmental biology, evo-devo).

Ключевую роль в формировании и работе шпемановского организатора игре сигнальный каскад Wnt/β-catenin (см. Wnt signaling pathway). Создать полный эктопический (то есть находящихся непредвиденных месте) организатор, который может обеспечить формирование дополнительной оси тела, достаточно, чтобы активировать что-то бластомере несколько генов компонентов каскада Wnt/β-catenin в случае шпорцевой лягушки Xenopus это гены Wnt-1, Xwnt-8, dishevelled, β-catenin) и отключить один ген, непреодолимой работу каскада (GSK3β).

Бластопоральный осевой организатор был открыт и наиболее подробно изучены у амфибий. Причем, ее происхождение эволюционная долгое время остается неясным. Ли его присутствие уникальной чертой позвоночных? Или гомологичные эмбриональной структуры, есть и другие животные, то на момент посещения бластопорального организатора должна быть продолжена далеко в прошлом, могут быть общие все предки вторичноротых, билатерий, Eumetazoa или, вообще, всех животных.

Существование осевых организаторов групп клеток из костного мозга, в котором индуцирует развитие дополнительных осей тела, — ранее уже показывает ряд беспозвоночных: морских ежей, мечехвостов, пауки, кольчатых червей, гидроидных полипов удаление и т. д. Но нет стабильной уверенности, что эти осевые организаторы гомологичны организатора Шпемана—Мангольд. В принципе организаторы могут возникнуть независимо в разных эволюционных линий, а работа их в теории может быть основан на различных сигнальных каскадах, которые в ходе эволюции привлекались («кооптировались») для выполнения такой функции.

Например, показано, что приротовой конус (гипостом) взрослый пресноводная гидра, если заменить его на стене тела других полипа, индуцирует формирование дополнительной оси тела полипа-близнецы. Таким образом, гипостом, hydra является осевым организатор. Но он отличается от шпемановского организатора, по крайней мере тем, что работает на этапе взрослый не организма гаструлы, и прилегает не бластопору, а в рот зрелые рапаны. Гаструляция у hydra происходит так, что бластопор, как таковой, вообще не формируется (способы гаструляции книдарий весьма разнообразны, см: Юлия Краус. Гаструляция книдарий: ключ к пониманию филогенеза или хаос вторичные изменения?). Кроме того, молекулярные основы работы осевого организатора hydra известны только в общих чертах (показано, что его работа связана с каскада Wnt/β-catenin, но детали неизвестны).

Более удобным объектом для выяснения вопроса о том, является ли низших многоклеточных бластопоральный осевой организатор, гомологичный организатора Шпемана—Мангольд, актиния Nematostella (см. Геном актинии оказался почти таким же сложным, как у человека, «Элементы», 11.07.2007). Он, в отличие от гидра, гаструляция инвагинационная (происходит путем впячивания), и, следовательно, имеет хорошо выраженные бластопор.

Юлия Краус кафедры биологической эволюции биофака МГУ, и его коллеги из Венского университета, ранее показали, что актинии трансплантации сегментов губы бластопора (но не других частей эмбриона) вызывает формирование эктопической оси тела, то есть актинии-близнецы. Таким образом, нематостеллы, как позвоночные, есть бластопоральный осевой организатор (Y. Краус et al., 2007. The blastoporal organiser of a морской анемон).

В новой статье, которая опубликована в журнале Nature Communications, Краус и его коллеги сообщают о результатах дальнейших исследований этого организатора, показавших, что не только общие свойства и расположение, но и молекулярных основах ее работы, как таковой позвоночные.

Предварительные тесты показали, что искусственный активация сигнального каскада Wnt/β-catenin может привести к формированию дополнительной оси тела (его авторы с помощью системы CRISPR/Cas9 уйдет время журналистов из строя из ген APC, непреодолимой работу каскада Wnt/β-catenin). Значит, этот каскад с большой вероятностью, действительно, что-то связано с работой организатора. Сейчас, чтобы узнать детали.

«Геном актинии имеется всего 13 генов, кодирующих различные версии внеклеточного сигнала Wnt белок. На стадии гаструлы они экспрессируются в различных частях эмбриона. Потому что свойства осевой организатора имеет только губы бластопора, авторы сосредоточены на пяти из них: Wnt1, Wnt2, Wnt3, Wnt4 и WntA. Зоны выражения этих генов на стадии средней гаструлы имеют вид концентрических, частично перекрывающихся колец вокруг бластопора. Для того, чтобы еще более сузить круг поиска, авторы провели ряд экспериментов по трансплантации (фиг. 2). Это позволило установить, что наиболее выраженные организующей возможность есть клетки, которые палки губы бластопора (фрагмент 2 на рис. 2). В этой зоне экспрессируются Wnt1, Wnt3, WntA и, возможно, Wnt4, но не Wnt2. Таким образом, осталось четыре «подозреваемых».

Рис. 2. Эксперименты точной локализации участка губы бластопора, индуцирующего формирование дополнительной оси тела. Слева — схема опыта, справа результаты. Фрагмент одной из четырех сегментов губы бластопора пересаживался на аборальную сторону других гаструлы (слева сверху). Это привело к одному из трех результатов: или развивались в нормальном полипов без дополнительных осей (в этой версии показано на рисунке помечены светло-зеленый цвет), или образуется недоразвитый дополнительные полипов (красный цвет), или развивались в полной мере, второй оси тела (красно-коричневый). Диаграмма справа показывает, что из четырех сегментов губы бластопора индуцирует развитие избыточной массы тела оси наиболее эффективным. Красная стрела на фотографиях, показанных в горле удаление полипов. Образы, изображающие поперечный разрез гаструлы, серый цвет , указанные эктодерма, синий — эндодерма. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Авторы подготовили плазмиды, содержащие в каждой из четырех генов кандидата, и инъецировать их клетки эмбрионов. Выяснилось, что экспресс WntA и Wnt4 не приводит к формированию чрезмерного осей тела, в том случае, когда экспрессия Wnt1 и Wnt3 иногда стимулирует развитие частично в форме дополнительных удаление полипов.

Самым мощным организующим эффект имеет совместное экспрессия Wnt1 и Wnt3. Если эти гены работают вместе в той же части эмбриона, то дополнительный шарнир органы формируются 50% случаев, в то время как многие из вызванных чрезмерным полипы появляются полностью развитые. Клеток трансплантации искусственно вызванные эктопической экспрессией этих генов работает так же, как пересадка части сектора 2 губы бластопора, т. е. эти клетки приобретают свойства осевой организатор.

Эти результаты показывают, что формирование «головы» (оральный конец тела) нематостеллы действительно индуцированной сказать, сказка каскада Wnt/β-catenin, причем Wnt1 и Wnt3 совместными усилиями дают, организующие свойства эмбриональным клеткам.

Дополнительные эксперименты подтвердили этот вывод. В частности, авторы разработали ранние эмбрионы актинии материал AZK (1-Azakenpaullone), которая неизбирательно активирует каскад Wnt/β-catenin всех клеток (рис. 3, выше). Это привело к радикальной «орализации» эмбрионов. Другими словами, они не сформирована нормальная аборальный конец тела (которая у взрослого полипа становится «ножкой»), а вместо этого весь аборальная сторона покрывалась складки и мелкие отверстия, так что, если эмбрион пытался шум поднять их губы любом месте (рис. 3).

Рис. 3. Искусственное усиление передачи сигнала-концерта Wnt/β-catenin приводит к «орализации» эмбрионов. Слева — упрощенная схема каскада Wnt/β-catenin. Внеклеточный сигнал Wnt белок взаимодействует с рецептором Фз. Это приводит к инактивации комплекса белка, который включает в себя белок GSK3β. Этот комплекс, будучи в рабочем состоянии, инактивирует белок β-catenin. Освободившись от ига, GSK3β и его сообщников, бета-катенин отправляется в ядро, где, ряд промежуточных этапов, начиная фразу, находящихся под контролем генов (Target genes). Материал AZK блокирует работу GSK3β, что ведет к усиленному поступления бета-катенина в ядро, даже без внешней «команды поставляемых белка Wnt. j, k — эмбрион актинии после обработки материал AZK, в течение 72 часов после оплодотворения. j — оральная сторона (видно бластопор), k — аборальная сторона, испещренная складки и мелкие отверстия. l — нормальные гусеницы актинии (планула) 72 часов после оплодотворения, типа сторона. Имеет рот (экс-бластопор) оральном конце (отмечено звездой), и нормально, гладкой аборальная сторона пучка ресничек (апикальным органом) в верхней части Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Кроме того, обработка материала AZK приводит к тому, что кольцо экспрессии некоторых генов Wnt (а именно Wnt1, Wnt2 и Wnt4) отодвигаются на бластопора и движется » аборальном направлении. По-видимому, это означает, что регулирования, сигнализации объектов теплоснабжения с участием Wnt участвуют в отрицательной обратной связи: очень интенсивный сигнала передача (когда много бета-катенина достигает core) тормозит производство некоторых белков Wnt. Так или иначе, эмбрионов, обработанных AZK область, совместной экспрессии гена Wnt1 и Wnt3 , оказывается, уже около бластопора, а аборальной стороне. Соответственно, клетки губ бластопора взятые как эмбрионов при трансплантации органов уже не может индуцировать дополнительные оси тела у эмбрионов-реципиентов. Но эти способности приобретают аборальные клетки эмбрионов, обработанных AZK, — это те же клетки, где наблюдается совместная экспрессия Wnt1 и Wnt3.

Дополнительные эксперименты показали также, что на более ранних стадиях развития Wnt1, Wnt3 и WntA экспрессируются в клетках предварительно эндодермальной eps (который после гаструляции, впячивается причину и дает начало эндодерме). Возможно, эти гены во-первых, участвуют в дифференцировке будущих эндодермы, а потом, отслужив в сервис, начинает следующий. Марз их выражения озноб взял в стороны эндодермы и приобретает вид кольца вокруг бластопора. Это кольцо и становится осевым организатор.

Авторы также изучили работу многих других генов на разных стадиях эмбрионального развития актинии. Это позволило выявить дополнительные черты сходства между бластопоральными осевыми организаторы актинии и позвоночных.

Позвоночные шпемановский организатор участвует в формировании, а передне-задней полярности (в этом ключевую роль играет Wnt-каскад), так и в спинно-брюшной полости (дорзо-вентральной). «Шпемановском организатор станет известно бета-катениновый сигнал начинают синтез «дорзализующих факторы» (противников BMP), такие как chordin (фиг. 1); по ту сторону тела, где воздействие БМП клетки эктодермы подавить этих белков, становится позвоночник. У симметричных книдарий, таких как гидра, ось тела только один — устно-аборальная. Это соответствует, по всей видимости, передне-задней оси билатерий. Но класс Anthozoa (коралловые полипы), к которой относится актиния, есть также вторая ось тела — «директивная ось». Возможно, что она гомологична дорзо-вентральной оси билатерий, потому что ключевую роль в его формировании играют гены Дпп и Ибс, гомологичные генам bmp4 и chordin позвоночных. Во-первых, Дпп и Ибс экспрессируются равномерно вокруг бластопора, то, в конце стадии гаструлы, зоны их выражение становится асимметричной. Эта асимметрия и устанавливает директивную ось. Результаты, полученные авторами, свидетельствуют о том, что формирование директивной оси на основе работы БМП-каскада, на ранних стадиях контролируется сигнальной системы Wnt/β-catenin, но потом становится независимой Wnt. Это очень похоже на то, что наблюдается позвоночные.

Таким образом, актинии Nematostellaпредставитель «низших многоклеточных», имеется бластопоральный осевой организатор, как » шпемановским организатором позвоночных не только в общих чертах, но много деталей. Это серьезный аргумент в пользу гомологии (общие происхождение: в эмбриональных структур. По-видимому, осевые организатор, тесно связанные с бластопором, был уже общего предка книдарий и билатерий. Получается, что основной механизм формирования полярности и осей тела, возможно, возникла еще на заре эволюции животного царства, а в дальнейшем подвергся разнообразным модификациям в различных эволюционных линий.

Источник: Yulia Краус, Энди Аман, Ульрих Technau & Grigory Genikhovich. Pre-bilaterian origin of the blastoporal axial organizer // Nature Communications. 2016. V. 7. Article number: 11694.

См. также организаторов и функции Wnt/β-catenin:

1) Развитие червей начинается хвосты, «Элементы», 23.11.2006.

2) Разгадан механизм регенерации конечностей, «Элементы», 27.11.2006.

3) Белок–регулятор индивидуального развития управляет раковых клеток, «Элементы», 18.04.2008.

4) Генетических механизмов формирования сложных признаков постепенно опечатки, «Элементы», 14.04.2010.

5) Планария — модельный объект для изучения регенерации у многоклеточных, «Элементы», 16.05.2011.

6) Развивающиеся части спинного мозга сначала регулируются централизованно, а затем переходят на самоуправление, «Элементы», 01.10.2014.

7) Длинные плавники скатов-результат добавления новой точки роста, «Элементы», 22.12.2015.

Александр Марков, Юлия Краус