Интернет: новые возможности и перспективы – людям!

Всероссийский Фестиваль интернет-проектов

«Новая Реальность»
 
 
 
 
 
 
 

График проведения Фестиваля

25 ноября 2008
Москва
Церемония вручения Премии Рунета 2008
23 декабря 2008
Москва
Итоги 2008 года
1-4 апреля 2009
Москва
Российский интернет-форум

Сегменты у насекомых развиваются по часам

В формировании эмбриональных сегментов (сомитов) у позвоночных ключевую роль играют «часы сегментации» — периодические колебания активности регуляторных генов в задней части эмбриона. При этом закладке каждого сегмента соответствует одна волна активности генов-регуляторов. Новые методы работы с эмбрионами мучного жука позволили греческим ученым подтвердить гипотезу о том, что у членистоногих формирование сегментов исходно было основано на таком же принципе. Отсутствие часов сегментации у дрозофилы, вероятно, является результатом относительно поздних эволюционных изменений, произошедших у предков мух. Сходство механизма формирования сегментов у столь далеких групп, как насекомые и позвоночные, указывает на то, что последний общий предок всех высших животных (билатерий), возможно, был сегментированным.

Метамерия — расчленение тела на повторяющиеся части — характерна для многих двусторонне-симметричных животных (билатерий). Некоторые из них остаются сегментированными всю жизнь, как членистоногие или кольчатые черви. У позвоночных метамерия во взрослом состоянии сохраняется лишь в строении отдельных частей или тканей (например, позвоночника, мускулатуры у рыб). Однако у зародышей позвоночных обязательно формируются эмбриональные сегменты — сомиты, которые и внешне, и по способу своей закладки (последовательное формирование новых сегментов в «зоне роста» на заднем конце тела) похожи на сегменты других животных. Не означает ли это, что последний общий предок членистоногих, кольчатых червей и хордовых (а значит, и всех билатерий в целом) был сегментированным животным (см. Конечности у членистоногих и кольчатых червей растут из общего корня, «Элементы», 20.11.2008)? Эта гипотеза косвенно подтверждается тем, что наборы генов, руководящих закладкой сегментов у позвоночных и насекомых, отчасти сходны (см.: Palmeirim et al., 1997. Avian hairy Gene Expression Identifies a Molecular Clock Linked to Vertebrate Segmentation and Somitogenesis), хотя различий тоже хватает. Впрочем, в молекулярных механизмах сегментации еще много неясного.

В 1976 году была предложена гипотеза (тогда еще чисто умозрительная), что сегментация может формироваться в ходе эмбрионального развития благодаря работе некого молекулярного осциллятора (колебательного устройства). При этом колебания концентрации каких-то молекул, возникающие вследствие циклической активности генов, преобразуются в повторяющиеся морфологические структуры метамеров благодаря волне клеточной дифференциации, движущейся спереди назад вдоль тела (Cooke, Zeeman, 1976. A clock and wavefront model for control of the number of repeated structures during animal morphogenesis).

Гипотеза «часов и волны» блестяще подтвердилась для позвоночных. Показано, что сомиты формируются под управлением так называемых «часов сегментации» (segmentation clock) — циклических изменений активности нескольких генов в задней части зародыша, где пары сомитов ритмически, одна за другой, отпочковываются от массы недифференцированных клеток — пресомитной мезодермы (рис. 1).

Что касается членистоногих, то наличие у них часов сегментации до сих пор оставалось под сомнением. Дело в том, что развитие членистоногих традиционно изучалось на мушке-дрозофиле, а этот объект, при всех его достоинствах, не самый подходящий для изучения исходных, примитивных особенностей онтогенеза. В развитии дрозофилы слишком много вторичных, эволюционно продвинутых черт. В частности, у дрозофилы все сегменты закладываются одновременно, а не отпочковываются последовательно от зоны роста на заднем конце эмбриона, как у большинства других сегментированных животных. Неудивительно, что у дрозофилы никаких часов сегментации не нашли: они ей просто не нужны.

Однако в последние годы эмбриологи получили довольно весомые аргументы в пользу того, что у других членистоногих (многоножек, пауков и некоторых насекомых с более примитивным, чем у мух, онтогенезом), как и у позвоночных, в зоне роста наблюдаются циклические колебания активности генов, управляющих закладкой сегментов. Но причины для сомнений все-таки оставались. Во-первых, выводы о наличии часов сегментации у членистоногих делались на основе измерения экспрессии генов у зафиксированных, то есть мертвых, эмбрионов на разных стадиях развития. Но у эмбрионов есть индивидуальная изменчивость по скорости развития, а сегменты закладываются так быстро, что эти случайные индивидуальные различия трудно отделить от закономерных, связанных с прохождением последовательных стадий. Для полной уверенности нужно измерить экспрессию генов у одного и того же эмбриона в разные моменты его жизни, а это технически крайне трудная задача. Второй повод для сомнений связан с тем, что колебания количества тех или иных матричных РНК в какой-то части зародыша могут быть обусловлены не только колебаниями активности генов внутри клеток, но и клеточными миграциями. В таком случае это будут уже не «часы сегментации» — или, по крайней мере, не такие часы, как у позвоночных, для которых было показано, что работу молекулярного осциллятора невозможно объяснить перемещением клеток.

Обе проблемы удалось решить биологам из Института молекулярной биологии и биотехнологии в Ираклионе (Греция). В недавнем выпуске журнала Science они опубликовали результаты изучения онтогенеза жука Tribolium castaneum (малого булавоусого хрущака; рис. 2). В отличие от дрозофилы, сегменты у жука закладываются не одновременно, а последовательно, отпочковываясь от зоны роста в задней части зародыша.
 

Рис. 2. Малый булавоусый хрущак Tribolium castaneum — вредитель продовольственных складов и популярный объект генетических исследований. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Авторы проследили за экспрессией гена Tc‑odd, который соответствует дрозофилиному гену odd-skipped («нечетные пропущены») и относится к группе «генов парного правила» (pair-rule genes). Так называют гены, которые у эмбриона дрозофилы работают либо только в четных, либо в нечетных сегментах. Ген odd-skipped, как видно из названия, экспрессируется в четных сегментах. Именно с активации генов парного правила начинается расчленение мушиного эмбриона на сегменты. У дрозофилы работа генов парного правила контролируется gap-генами, которые, в свою очередь, находятся под управлением белковых продуктов «генов с материнским эффектом» (таких как bicoid). Последние попадают в яйцо из клеток материнского организма и отвечают за «первичную разметку» яйца. Но это — у мухи, не имеющей часов сегментации. Как же обстоит дело у жука?

Для начала авторы измерили уровень экспрессии Tc‑odd у эмбрионов жука на разных стадиях развития. Выяснилось, что полосы клеток с повышенной активностью Tc‑odd, соответствующие будущим четным сегментам личинки, последовательно отпочковываются от зоны роста. При этом в самой зоне роста наблюдаются циклические колебания активности гена, очень похожие на работу «часов сегментации» (рис. 3).
 

Рис. 3. Экспрессия гена Tc‑odd в ходе закладки сегментов у эмбриона жука Tribolium. Вид с брюшной стороны, голова вверху. P1, P2, P3, P4 — первичные полосы экспрессии Tc‑odd, соответствующие четным сегментам; S1, S2, S3, S4 — вторичные полосы экспрессии в нечетных сегментах; gz — зона роста. Графики показывают изменения уровня активности гена вдоль продольной оси эмбриона. Видно, что появлению каждой новой первичной полосы предшествует усиленная экспрессия в задней части зародыша (зоне роста). Затем активность гена в зоне роста снижается, новая полоса отделяется от нее, после чего следует новая вспышка экспрессии в зоне роста. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Впрочем, как говорилось выше, выявленные таким способом (на мертвых, зафиксированных и окрашенных эмбрионах) различия уровня экспрессии Tc‑odd в зоне роста в принципе могут отражать не последовательные стадии развития, а индивидуальную изменчивость эмбрионов. Чтобы строго доказать существование часов сегментации, нужно проследить за экспрессией гена у одного и того же эмбриона в разные моменты его жизни. Но как это сделать, если для того, чтобы окрасить считанные с гена матричные РНК, эмбрион нужно убить?

Авторы нашли неординарное решение этой проблемы. Они научились аккуратно вырезать эмбрион из яйца (основной объем которого занимает желток) и выращивать его на искусственной среде. Оказалось, что если такой эмбрион, лежащий брюшком кверху на питательной среде, разрезать вдоль на две половинки (рис. 4), то каждая из них продолжает нормально развиваться в течение нескольких часов. Это и позволило измерить экспрессию Tc‑odd у одного и того же эмбриона на разных стадиях: например, одну половинку можно зафиксировать и окрасить сейчас, а другую — через полчаса.

Эксперименты с разрезанными эмбрионами подтвердили, что циклические колебания активности Tc‑odd в зоне роста — не артефакт, а реальность. Формированию каждой новой полоски, соответствующей четному сегменту, предшествует вспышка экспрессии в зоне роста. Затем активность гена затухает во всей зоне роста, кроме ее передней части, которая и становится новой полоской. Полный цикл, завершающийся формированием очередной полоски, занимает около 95 минут. Для сравнения, у рыбки данио-рерио один цикл работы часов сегментации, приводящий к закладке пары сомитов, занимает 30 минут, у курицы — 90 минут, у мыши — 2 часа, у человека — 4–5 часов.
 

Рис. 4. Хирургические операции, позволившие авторам доказать наличие часов сегментации у жука Tribolium. А, А’  — вырезание эмбриона из яйца; B, B’ — рассечение помещенного на питательную среду эмбриона на две половинки, которые продолжают нормально развиваться в течение нескольких часов. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Чтобы проверить, не являются ли причиной наблюдаемых колебаний клеточные миграции, авторы воспользовались генно-модифицированными эмбрионами, у которых в ядрах клеток накапливается флюоресцирующий белок. Это позволило следить за перемещениями клеток у живых эмбрионов, помещенных под покровное стеклышко. Выяснилось, что работа часов сегментации не связана с миграциями клеток: когда в какой-то части зародыша экспрессия гена растет, это происходит не потому, что туда приползло много клеток с повышенной экспрессией этого гена, а потому, что местные клетки стали активнее его экспрессировать.

Таким образом, можно считать доказанным, что у жука Tribolium, как и у позвоночных животных, в формировании сегментов участвует молекулярный осциллятор — часы сегментации. В свете новых данных по жуку становится очевидным, что и у других членистоногих, включая многоножек и пауков, данные по которым сами по себе менее доказательны, часы сегментации тоже есть.

По-видимому, регуляция генов парного правила часами сегментации — это исходное (анцестральное) состояние для членистоногих. У некоторых особо продвинутых насекомых, таких как мухи, древняя система управления генами парного правила при помощи осциллятора заменилась другими способами регуляции — например, при помощи gap-генов.

Сходство механизмов формирования сегментов у столь далеких групп, как позвоночные и членистоногие, указывает на то, что сегментация, скорее всего, не приобретена ими независимо, а унаследована от общего предка. Впрочем, для того, чтобы окончательно отбросить гипотезу независимого приобретения метамерии, необходимо получше разобраться в молекулярно-генетических основах формирования сегментов у разных животных. В частности, нужно расшифровать молекулярные основы часов сегментации у членистоногих (ведь мы пока не знаем, что заставляет их тикать и как задается их ритм), чтобы понять, насколько их устройство сходно с таковым у позвоночных.

Источник: Andres F. Sarrazin, Andrew D. Peel, Michalis Averof. A Segmentation Clock with Two-Segment Periodicity in Insects // Science. 2012. V. 336. P. 338–341.

См. также:
 1) caenogenesis.livejournal.com — блог, посвященный эволюционной биологии развития вообще и генетическим основам развития сегментации у дрозофилы — в частности.
 2) Конечности у членистоногих и кольчатых червей растут из общего корня, «Элементы», 20.11.2008.
 3) Созданы бактерии с полосатыми колониями, «Элементы», 20.10.2011.

Источник: http://elementy.ru/

 

Организаторы:

Информационные партнеры:

Обратная связь © 2010 - РА "Позитив". При использовании материалов ссылка на www.novreal.ru обязательна.