29.03.2014

Превращение полипа в медузу контролируется той же сигнальной системой, что и превращение головастика в лягушку

Для многих животных характерен сложный жизненный цикл из нескольких стадий, сильно различающихся по строению и образу жизни. Переход от одной стадии к другой (метаморфоз) сопровождается радикальными изменениями плана строения. Международная команда исследователей выявила ключевые гены, инициирующие метаморфоз у медузы Aurelia aurita. При этом обнаружилось удивительное сходство генетической регуляции метаморфоза у таких далеких групп, как книдарии (к которым относится медуза), насекомые и позвоночные. Во всех трех случаях для запуска метаморфоза необходим белок RxR — рецептор ретиноевой кислоты, который образует комплекс с другим рецептором, реагирующим на специфический для данной группы «гормон метаморфоза» (тиреоидный гормон у позвоночных, экдизон у насекомых, новооткрытый пептидный «гормон стробиляции» у книдарий). По-видимому, уже у общего предка книдарий и билатерий (к которым относятся и насекомые, и позвоночные) имелись компоненты генно-регуляторных каскадов, участвующих в регуляции сложного жизненного цикла, пишет Current Biology.

Прямое развитие, при котором животное всю свою жизнь (не считая эмбрионального развития) имеет более или менее одинаковый план строения — как, например, у млекопитающих — скорее исключение, чем правило. У большинства животных жизненный цикл устроен сложнее и включает стадии с разными планами строения и образами жизни. Всем известные примеры — гусеница и бабочка, головастик и лягушка. Переход из одной стадии в другую, сопровождающийся радикальной перестройкой организма, называется метаморфозом.

О генетической регуляции сложных жизненных циклов и метаморфозов и их эволюции известно не так уж много. Детально изучен метаморфоз только у насекомых и позвоночных. Для них характерна сложная нейрогуморальная регуляция метаморфоза, в которой ключевую роль играют ядерные (то есть функционирующие в клеточном ядре) рецепторы гормонов: RxR (retinoid X receptor — рецептор ретиноевой кислоты, см. retinoic acid), TR (thyroid hormone receptor — рецептор тиреоидного гормона) и EcR (ecdysone receptor — рецептор экдизона). Первый из этих белков (RxR) участвует в инициации метаморфоза и у позвоночных, и у насекомых. Он активируется 9-цис-ретиноевой кислотой (9-cis-retinoic acid) и образует комплекс (гетеродимер) либо с TR (у позвоночных), либо с EcR (у насекомых). При наличии соответствующего «гормона метаморфоза» (соответственно, тиреоидного гормона или экдизона) этот гетеродимер активирует гены, белковые продукты которых необходимы для осуществления метаморфоза.

По другим группам животных имеются лишь отрывочные сведения. Интернациональная команда биологов из Германии, Швеции, Хорватии и России поставила себе целью разобраться в генетической регуляции метаморфоза у медузы Aurelia aurita, представителя книдарий — «базальной» группы настоящих многоклеточных животных (Eumetazoa), очень далеко отстоящей как от насекомых, так и от позвоночных.

Для аурелии, как и для большинства книдарий (за исключением коралловых полипов и гидры), характерен жизненный цикл с чередованием полипоидной и медузоидной стадий (рис. 2). Из яйца развивается плавающая личинка — планула, которая затем прикрепляется к субстрату и превращается в сидячий полип. Полип может размножаться только бесполым путем — почкованием. Зимой или в начале весны (а в лабораторных условиях — при понижении температуры до 10°С на достаточно долгое время) полип аурелии приступает к стробиляции — своеобразному метаморфозу. Сначала полип подразделяется на множество плоских дисковидных сегментов (на этой стадии он называется стробилой). Каждый сегмент затем превращается в крохотную медузку — эфиру (рис. 1). Эфиры переходят к свободноплавающему образу жизни, быстро растут и вскоре превращаются во взрослых медуз, размножающихся половым путем.

Для начала авторы убедились, что стробиляция индуцируется каким-то сигнальным веществом (или веществами). Для этого фрагменты полипа, уже приступившего к стробиляции в ответ на длительное понижение температуры, трансплантировали или скармливали другому полипу, который жил в теплой воде (18°С) и не собирался ни в кого превращаться. Оказалось, что полип-реципиент после такой процедуры вскоре приступает к метаморфозу — особенно если кусочки полипа-донора были взяты из центральной части, подразделенной на сегменты, а не из головного конца или основания. Это значит, что метаморфоз действительно индуцируется некими сигнальными веществами, концентрация которых максимальна в центральной части стробилы.

Затем авторы сравнили транскриптомы аурелии на стадии полипа, стробилы и эфиры. Это позволило выявить несколько генов, активность которых резко возрастает в ходе стробиляции. В их числе оказался ген RxR, родственный генам рецепторов ретиноевой кислоты позвоночных и насекомых. У этих животных, как мы помним, белок RxR играет ключевую роль в инициации метаморфоза. Обнаруженный факт позволил выдвинуть интригующее предположение: что если регуляция метаморфоза у «низших» животных, таких как книдарии, и «высших» (билатерий) основана на неких общих принципах?

Впрочем, сначала нужно было доказать, что ретиноевая кислота и ее рецептор RxR действительно необходимы для метаморфоза у аурелии. Авторам удалось это сделать несколькими способами. Они показали, что добавление в воду, где живут полипы, ретиноевой кислоты или ее предшественника ретинола стимулирует стробиляцию не хуже, чем понижение температуры. Этот эффект слабеет или вовсе исчезает, если добавить в воду вещество, блокирующее работу белка RxR. Наконец, если отключить ферменты, синтезирующие ретиноевую кислоту из ретинола, то добавление ретинола перестает стимулировать стробиляцию, хотя добавление ретиноевой кислоты по-прежнему ее стимулирует. Еще один косвенный аргумент состоит в том, что на сегодняшний день известны геномы семи видов книдарий, три из которых имеют медузоидную стадию — и у всех трех имеется ген RxR, а четыре ее не имеют — и у всех четырех данный ген отсутствует.

Таким образом, ретиноевая кислота и RxR действительно участвуют в инициации метаморфоза у медузы: книдарии в этом отношении оказались схожи с билатериями! Впрочем, у билатерий запуск метаморфоза — далеко не единственная функция ретиноевой кислоты и ее рецептора: ретиноевый сигнальный каскад участвует в регуляции многих процессов в ходе развития. Кроме него для инициации метаморфоза требуется специальный «гормон метаморфоза» и его рецептор, объединяющийся с RxR в гетеродимер. По идее, у аурелии тоже может быть нечто подобное.

Поэтому авторы не остановились на достигнутом и стали искать другие компоненты регуляторной системы. Они рассудили, что дополнительные гены, участвующие в инициации метаморфоза аурелии, должны особым образом реагировать на изменения температуры. Ведь полипу нужно отличать кратковременное, случайное похолодание от длительного снижения температуры, сигнализирующего о наступлении зимы. Приступать к метаморфозу следует только во втором случае: тогда медузы как раз успеют к лету достичь половой зрелости и будут размножаться в наиболее благоприятное время.

Изучив зависимость активности генов от колебаний температуры, авторы обнаружили ген, который вел себя в точном соответствии с их ожиданиями. Этот ген под условным названием CL390 не имеет гомологов у других животных: возможно, он встречается только у сцифоидных медуз или вообще только у аурелии. При похолодании экспрессия CL390 начинает расти и растет до тех пор, пока температура остается низкой (10°С). Через 6 дней уровень экспрессии становится в 5,5 раз выше базового, через 9 дней — в 31 раз, через 19 дней — в 110 000 раз. Если температура повышается, экспрессия CL390 сразу падает. Таким образом, ген CL390 работает как своеобразные часы, регистрирующие длительность холодного периода. По достижении определенного уровня экспрессии CL390 (примерно в 15 раз выше базового, что соответствует 7–8 дням жизни при низкой температуре) происходит включение программы стробиляции. После этого потепление уже не может остановить или задержать метаморфоз.

Частичная блокировка экспрессии CL390 при помощи РНК-интерференции приводит к задержке стробиляции. С другой стороны, пересадка фрагментов стробилы полипу, живущему при 18°С, активирует экспрессию CL390. Авторы получили ряд косвенных аргументов в пользу того, что RxR, активированный ретиноевой кислотой, тоже способствует активации CL390. По-видимому, в этом регуляторном контуре задействован принцип взаимной активации ключевых компонентов.

Проанализировав структуру белка CL390, авторы пришли к выводу, что он служит исходным материалом для производства короткого пептида из 7 аминокислот, который, по всей видимости, и играет роль «гормона стробиляции» у аурелии. В состав пептида входят два остатка аминокислоты триптофана, индольные кольца которых располагаются по соседству друг с другом в перпендикулярных плоскостях. Изучив влияние на стробиляцию различных веществ с похожей структурой, ученые заключили, что эти-то индольные кольца и играют ключевую роль в индукции метаморфоза (то есть позволяют «гормону метаморфоза» связаться со своим рецептором). По аналогии с позвоночными и насекомыми, логично предположить, что у аурелии рецептор гормона метаморфоза (который пока не удалось идентифицировать) тоже образует гетеродимер с RxR (рис. 3).

Авторы указывают еще на одну интригующую аналогию — между тиреоидным гормоном билатерий (он обнаружен не только у позвоночных, но и у ряда беспозвоночных) и «гормоном стробиляции» аурелии. Тиреоидный гормон фактически представляет собой два йодированных остатка ароматической аминокислоты тирозина, а «заготовкой» для его производства является полновесная белковая молекула — тироглобулин (Thyroglobulin). Пептидный гормон аурелии тоже производится из большого белка (CL390), а его «активный центр» образован двумя остатками ароматической аминокислоты триптофана. Случайное совпадение, конвергенция или свидетельство общего происхождения? Для ответа на этот вопрос данных пока недостаточно.

Таким образом, механизмы запуска генетической программы метаморфоза у позвоночных, насекомых и книдарий оказались на удивление сходными. Возможно, это говорит о том, что уже у общего предка этих групп (то есть у последнего общего предка Eumetazoa) был сложный жизненный цикл с метаморфозом. Или, может быть, метаморфоз у них развился независимо, но во всех случаях для его регуляции был привлечен один и тот же ретиноевый сигнальный каскад, имевшийся у общего предка, но служивший ему для иных целей (для включения других наборов генов).

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru