Специалисты из Санкт-Петербургского университета впервые провели подробное описание молекулярного механизма, определяющего сегментацию тела кольчатых червей. Исследование процессов формирования повторяющихся структур в процессе развития организма позволяет лучше понять эволюцию сложных животных и человека, а также механизмы восстановления тканей после травм. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Evolution and Development.
У большинства животных тело имеет сегментированное строение. Так, у дождевых червей оно состоит из большого числа однотипных колец, а у насекомых – из головы, груди, брюшка и членистых конечностей. Общие закономерности лежат в основе развития позвоночника, ребер, мышц туловища и нервной системы человека. Таким образом, исследование сегментации у модельных организмов способствует выяснению причин, по которым возникают врожденные аномалии соответствующих органов и тканей у людей.
Ученые из Санкт-Петербургского университета провели подробное исследование молекулярных процессов, лежащих в основе формирования тела кольчатых червей. Для работы в качестве модельного организма был выбран нереида Alitta virens, поскольку гены, отвечающие за его развитие, отличаются высокой степенью стабильности и схожести с генами животных и человека.
В ходе исследования авторы отследили активность основных генов engrailed и wnt1, отвечающих за формирование границ сегментов, на протяжении всего развития организма – начиная с эмбриональной стадии и заканчивая периодом взросления. Для этого исследователи использовали совокупность передовых методик, которые позволили им наблюдать за особенностями клеток в тканях, определять клетки, запускающие производство РНК на основе этих генов, и находить области с наиболее интенсивным клеточным делением у червя.
В ходе исследования ученые создали подробное молекулярное описание сегментации нереиса. Было установлено, что на начальных этапах развития первым активируется ген engrailed. В теле эмбриона формируются несколько симметричных областей с максимальной активностью этого гена, которые со временем удлиняются, образуя поперечные полосы. Эти полосы точно совпадают с будущими границами сегментов.
Ген wnt1 начинает функционировать с некоторой задержкой. Первоначально он проявляет активность в задней части зародыша, однако в ходе развития его зона действия также приобретает форму полос, аналогично engrailed. При этом активность engrailed регистрируется как в передней, так и в задней областях каждого формирующегося сегмента, в то время как wnt1 активен исключительно в задней. Следовательно, зоны активности этих генов не просто располагаются рядом, а формируют сложную, перекрывающуюся структуру.
Изучаемый процесс кардинально отличается от того, как происходит сегментация у других видов, в частности, у членистоногих, таких как насекомые и ракообразные. У этих организмов оба гена проявляют активность только в задней части каждого будущего сегмента, причем их зоны активности расположены близко друг к другу, но не имеют перекрытий. Еще десять-двадцать лет назад существовала доминирующая гипотеза об общем эволюционном происхождении и едином принципе формирования сегментов у червей и членистоногих.
«По словам Виталия Козина, ведущего научного сотрудника кафедры эмбриологии СПбГУ, имеющиеся у нас сведения предоставляют наиболее весомые аргументы в пользу того, что разделение тела на сегменты – одно из наиболее эффективных решений, разработанных эволюцией, возникало в различных линиях развития независимо друг от друга, а не передавалось по наследству от общего предка двусторонне-симметричных животных, к которым относится и человек.
По его мнению, эти знания в будущем могут послужить фундаментом для создания инновационных технологий, в частности, в области регенеративной медицины. Изучение механизмов, с помощью которых природа формирует и восстанавливает сложные, состоящие из множества частей, структуры, может способствовать разработке способов стимулирования регенерации тканей.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ