Прототип человеческого тела возник в океане 600 миллионов лет назад: что на самом деле управляет развитием организма
Для человека, насекомого или рыбы характерна билатеральная (двусторонняя) симметрия: у нас есть передняя и задняя части, спинная и брюшная стороны. Долгое время считалось, что эта сложная пространственная организация — уникальное приобретение высших животных.
Однако новое исследование, проведенное группой биологов из Венского университета и опубликованное в журнале Science Advances, опровергает устоявшиеся представления. Объектом изучения стала морская анемона Nematostella vectensis — представитель типа стрекающих (Cnidaria), к которому также относятся медузы и кораллы. Эти животные традиционно считаются радиально-симметричными, то есть организованными вокруг одной центральной оси, подобно цилиндру.
Исследователи обнаружили, что на молекулярном уровне эмбриональное развитие морской анемоны управляется теми же сложными механизмами, что и развитие позвоночных. Оказывается, природа изобрела чертежи для построения сложного тела задолго до того, как появились первые существа с мозгом и костями.
Химия пространства: как клетки узнают свое место
Чтобы группа одинаковых эмбриональных клеток превратилась в упорядоченный организм, необходима система навигации. Клетки должны получить химические инструкции, указывающие им, какой тканью стать — нервной системой, кожей или кишечником. Эту функцию выполняют белки-морфогены. Их концентрация в разных точках эмбриона служит сигналом для запуска генетических программ.
Гланым элементом этой системы является сигнальный путь BMP (Bone Morphogenetic Protein — белок морфогенеза кости). Несмотря на название, данные белки отвечают не только за кости, но и за общую разметку осей тела у всех животных.
- BMP выделяется клетками и распространяется в межклеточном пространстве. Высокая концентрация BMP дает команду на формирование одной стороны тела (например, брюшной у позвоночных).
- Чтобы создать различие между сторонами, необходим антагонист. Эту роль выполняет белок Chordin. Он связывается с молекулами BMP и блокирует их способность взаимодействовать с клеточными рецепторами.
В простейшей модели это взаимодействие описывается как локальное ингибирование. В этой схеме Chordin просто нейтрализует сигнал BMP в той зоне, где он производится. В результате на одной стороне эмбриона активность сигнала высока, а на другой — подавлена.
Однако у билатеральных животных (от мух до людей) работает гораздо более сложная система, известная как механизм челночного транспорта. В этом сценарии Chordin не просто блокирует BMP, а захватывает его молекулы и транспортирует их через межклеточное пространство на противоположную сторону эмбриона. Там под действием специальных ферментов (протеаз) комплекс разрушается, и высвобожденный BMP резко повышает локальную концентрацию сигнала.
Различие между этими двумя моделями принципиально:
- Локальное ингибирование просто снижает уровень сигнала в одной зоне.
- Челночный транспорт перераспределяет ресурсы, забирая молекулы с одной стороны и концентрируя их на другой, создавая максимально резкий градиент.
До настоящего момента в научном сообществе доминировала гипотеза, что сложные механизмы транспорта характерны только для высших животных, в то время как эволюционно более древние стрекающие довольствуются простым локальным подавлением.
Экспериментальное доказательство: тест на подвижность
Группа под руководством Григория Гениховича поставила задачу выяснить, какой именно физический механизм использует морская анемона для построения своего тела. Для этого потребовалось разработать эксперимент, способный разделить функции подавления и транспортировки.
Ключевая переменная в уравнении — это подвижность молекулы Chordin.
- Если белок работает только как локальный ингибитор, ему не нужно перемещаться: достаточно блокировать сигнал в месте синтеза.
- Если белок работает как транспортный челнок, его способность к диффузии (перемещению в тканях) является критически важной.
Исследователи применили методы молекулярной инженерии для создания модифицированной версии белка. Они взяли ген Chordin и добавили к нему последовательность, кодирующую трансмембранный домен (CD2). В результате синтезируемый белок Chordin-CD2 оказался «пришит» к клеточной мембране. Он сохранил все свои биохимические свойства — способность связывать и блокировать BMP, — но полностью утратил способность перемещаться между клетками.
Эксперимент проводился в несколько этапов:
- Сначала ученые подавили выработку собственного, природного белка Chordin в эмбрионах Nematostella. Это привело к нарушению формирования оси тела: без регулятора сигнал BMP распределился хаотично, и эмбрионы не смогли сформировать правильную структуру.
- Затем в эти дефектные эмбрионы ввели РНК, кодирующую нормальный, подвижный Chordin. Это полностью восстановило развитие: эмбрионы сформировали четкую ось и продолжили нормальный рост.
- На финальном этапе в эмбрионы ввели РНК, кодирующую искусственный, неподвижный Chordin-CD2.
Неподвижный белок успешно подавлял сигнал BMP в непосредственной близости от места своего производства, но этого оказалось недостаточно для нормального развития. Он не смог создать пиковую концентрацию BMP на противоположной стороне эмбриона. Без активного перераспределения молекул четкая ось тела не сформировалась.
Данные, полученные с помощью иммунофлуоресцентного анализа (визуализации фосфорилированного белка pSMAD1/5, маркера активности BMP), подтвердили: для создания правильной анатомической разметки необходим именно дальний транспорт морфогенов, а не простое подавление сигнала.
Логика градиента и эффект «качелей»
Почему транспортный механизм настолько важен? Дело в точности и контрастности сигнала. Биологические системы зашумлены; простая диффузия часто приводит к размытым границам между тканями.
Механизм, который ученые обнаружили у морской анемоны, работает по принципу «качелей». Забирая сигнальные молекулы с одной стороны («сторона Chordin») и перенося их на другую («сторона BMP»), организм достигает двойного эффекта одновременно:
- Минимизирует шум в зоне подавления.
- Максимизирует силу сигнала в зоне активации.
Исследование показало, что эмбрион Nematostella формирует так называемую директивную ось (аналог спинно-брюшной оси у позвоночных) именно за счет накопления BMP на одной стороне. Это накопление невозможно объяснить простым синтезом новых молекул — их общее количество ограничено. Пик концентрации создается именно за счет притока молекул, которые были «украдены» с противоположной стороны белком-транспортером.
Эволюционные последствия: пересмотр сложности
Выводы австрийских биологов выходят за рамки изучения конкретного вида морских анемонов. Они затрагивают фундаментальные вопросы эволюции многоклеточных животных.
Ранее считалось вероятным, что билатеральная симметрия и механизмы ее формирования могли возникать в эволюции неоднократно и независимо (конвергентная эволюция). Однако обнаружение идентичного молекулярного механизма у столь удаленных друг от друга групп, как стрекающие и билатерии, делает гипотезу независимого возникновения крайне маловероятной. Сложные биохимические системы редко возникают дважды в абсолютно идентичном виде.
Это указывает на то, что механизм Chordin-зависимого транспорта BMP является анцестральным (предковым). Он возник у общего предка стрекающих и билатерий, который жил в эпоху докембрия, более 600 миллионов лет назад.
Следовательно, генетическая программа, отвечающая за построение сложного, асимметричного тела, сформировалась задолго до того, как появились животные со сложным мозгом, конечностями или скелетом. Морские анемоны, несмотря на свою кажущуюся простоту и радиальную симметрию взрослой формы, на стадии эмбриона используют тот же высокотехнологичный инструментарий разметки пространства, что и человек.
Это повод переосмыслить само понятие «примитивности» в биологии. Отсутствие сложной морфологии у древних групп животных не означает отсутствия сложности на молекулярном и генетическом уровнях. Базовая архитектура многоклеточной жизни была разработана и стандартизирована на самых ранних этапах эволюции, и современные организмы лишь варьируют этот древний конструктор.
Источник:Science Advances
