Ученые из Сколтеха, Института биологии развития имени Н.К. Кольцова РАН и Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН провели исследование динамики экспрессии генов у двух видов мух в период метаморфоза. Целью работы стало определение принципов, по которым меняется активность генов в процессе развития насекомых, характеризующихся полным метаморфозом – последовательным превращением из яйца в личинку, куколку и взрослое насекомое. Результаты исследования опубликованы в журнале Genome Biology and Evolution.
Ежедневно нас окружает огромное количество мух, комаров, жуков, бабочек и других насекомых, которые в процессе жизни проходят через несколько стадий развития, таких как превращение гусеницы в прекрасную бабочку. На каждом этапе развития включаются различные гены, что позволяет этим существам приспосабливаться к различным условиям окружающей среды. В рамках нового исследования ученые проанализировали, как изменяется активность каждого гена на разных этапах развития двух видов мух — Drosophila melanogaster и Drosophila virilis.
«В предыдущем исследовании мы продемонстрировали, что метаморфоз имеет сходство с эмбриогенезом – процессом развития организма от оплодотворенной яйцеклетки до формирования зародыша. В обоих случаях происходит формирование органов и тканей, поскольку метаморфоз включает в себя существенную перестройку личинки во взрослого насекомого. Для эмбриогенеза существует гипотеза «песочных часов»: на определенном этапе развития разные виды проявляют сходство, поскольку гены активируются схожим образом. Мы проверили, распространяется ли эта гипотеза на метаморфоз», — прокомментировала Александра Озерова, первый автор работы и аспирант Сколтеха по программе «Науки о жизни».
Новое исследование выявило иной сценарий развития событий: динамика активности генов больше напоминает веретено, где вместо узкого участка наблюдается расширение и сходство между разными видами.
«Для обоих видов дрозофил были проведены эксперименты по секвенированию РНК, при этом образцы собирались на разных этапах жизненного цикла: начиная с эмбриональной стадии и заканчивая взрослой особью, включая стадии личинки и куколки. Для анализа применялись методы биоинформатики. Результаты показали, что гены, возникшие относительно недавно в процессе эволюции насекомых, демонстрируют значительное повышение уровня экспрессии в среднем периоде развития куколки. По мнению соавтора работы, профессора Михаила Гельфанда, вице-президента по биомедицинским исследованиям Сколтеха, эти гены, вероятно, участвуют в физиологических процессах, необходимых для формирования взрослой особи.
Насекомые, проходящие полный цикл развития, демонстрируют более высокую эволюционную успешность и составляют наиболее крупные группы по числу видов, такие как жуки, комары, мухи, пчелы, муравьи и бабочки. Некоторые из них являются вредителями. Углубленное изучение биологических процессов, происходящих на различных стадиях их развития, предоставляет возможности для создания более эффективных средств контроля над ними. В частности, знание особенностей генетической экспрессии позволяет разрабатывать препараты, воздействующие на наиболее чувствительные этапы жизненного цикла насекомых.