Рубрики В онтогенезе позвоночных очень важно «организатор Шпемана—Мангольд», группа клеток, расположенная в спинном мозге, а края бластопора на стадии гаструлы. Организатор производит сигнальные белки, которые организуют поведение других эмбриональных клеток таким образом, что из них в итоге получилось нормальное тело. Трансплантация фрагмента организатор в любом другом месте эмбриона приводит к формированию дополнительной оси тела (получаются «сиамские близнецы»). Эксперименты на эмбрионах актинии Nematostella показали, что представитель низших многоклеточных край бластопора является также осевой промоутер, и основывается на деятельности того же сигнального каскада, которые у позвоночных (Wnt/beta-catenin). Вместе с (довольно отрывочными) данные о работе, организаторов, других беспозвоночных, обнаруженные факты свидетельствуют о том, что бластопоральный осевой организатор — древняя структура, которая существовала уже в предка книдарий и билатерий.
Открытие Ганса Шпемана (Hans Spemann) и Хильда Мангольд (Hilde Mangold), показывая, что небольшой участок гаструлы (дорзальная губа бластопора), действительно заставляет окружающие клетки организоваться в сложный целостный организм (рис. 1), стал поворотным пунктом в развитии эмбриологии. Этот эксперимент открыл завесу тайны о основные принципы онтогенеза многоклеточных (см.: Как клетки понимают, что они должны стать волосами, другие костями, другие мозги и т. д.?) и указывает направление дальнейших исследований, которые, наконец, привели к современной эволюционной биологии развития (evolutionary developmental biology, evo-devo).
Ключевую роль в формировании и работе шпемановского организатор играет сигнальный каскад Wnt/beta-catenin (см. signaling Wnt pathway). Для создания альбома эктопический (то есть, находится в неправильном месте), организатор, способный обеспечить формирование дополнительной оси тела, то достаточно включить в любой бластомере несколько генов компонентов каскада Wnt/beta-catenin (в случае шпорцевой лягушки Xenopus это гены Wnt-1, Xwnt-8, dishevelled, beta-catenin) и отключить ген, который подавляет работу водопад (GSK3ß).
Бластопоральный осевой организатор был открыт и детально изучали земноводных. В то же время, ее эволюции происхождение долгое время было не ясно. Если это наличие уникальной функции позвоночных? Или гомологичные клетки структура с других животных, и тогда момент появления бластопорального организатор должен толкать дальше в прошлое — может быть, к общим предкам всех вторичноротых, билатерий, Eumetazoa или, вообще, всех животных?
Существование оси организаторов группы клеток, трансплантация, которая вызывает развитие дополнительных осей тела, ранее, было показано, ряд беспозвоночных: морские Ежи, крабы, подковы, пауки, кольчатых червей, гидроидных полипов и другие. Но нет твердой уверенности, что эти оси организаторы гомологичных организатора Шпемана—Мангольд. В принципе, организаторы могли возникнуть независимо в разных эволюционных линий, и работу их гипотетически может быть основана на различных каскадов сигнализации, которые в ходе эволюции привлекались («кооптировались») для выполнения соответствующей функции.
Например, показано, что приротовой конус (гипостом) взрослой гидры пресноводной, если пересадить его в стену тела другого полип, индуцирует образование более чем одной оси тела полипа-близнец. Таким образом, гипостом гидры-это осевой организатором. Тем не менее, он отличается от шпемановского организатор, как минимум, то, что работает в стадии взрослого организма, а не гаструлы, и прилегает не к бластопору, и из уст взрослого человека. Гаструляция у гидры происходит таким образом, что бластопор, как таковой, не образуется (способы гаструляции книдарий очень разнообразны, см: Юлия Краус. Гаструляция книдарий: ключ для понимания филогенеза или хаос вторичные изменения?). Кроме того, молекулярные основы работы осевого организатор Гидра известны лишь в общих чертах (что показывает, что его работа связана с каскада Wnt/beta-catenin, но подробности не известны).
Более удобным объектом для выяснения вопроса о наличии низких многоклеточных бластопоральный осевой Органайзер, гомологичный организатор Шпемана—Мангольд-это актиния Nematostella (см.: Геном актинии оказался почти таким же сложным, как у человека, «Элементы», 11.07.2007). Она, в отличие от гидры, гаструляция инвагинационная (происходит путем впячивания), и, следовательно, хорошо выраженным бластопор.
Юлия Краус с кафедры биологической эволюции биофака МГУ, и его коллеги из университета Вены доказали ранее, что актинии трансплантации фрагмента губы бластопора (но не в других частях эмбриона) и вызывает образование эктопической оси тела, то есть, актинии-близнец. Таким образом, нематостеллы, как у всех позвоночных, есть бластопоральный осевой организатор (Y. Kraus et al., 2007. The blastoporal organiser of a Sea Anemone).
В новой статье, опубликованной в журнале Nature Communications, Краус и его коллеги сообщили о результатах будущих исследований это организатор, показывая, что не только свойства и расположение, но и молекулярные основы их работы похожи на те, позвоночных.
Предварительные показали, что искусственное, включение сигнальный каскад Wnt/beta-catenin может привести к созданию новых осей тела (для этого, авторы с помощью системы CRISPR/Cas9 выводили из строя ген APC, огромную работу каскада Wnt/beta-catenin). Это означает, что этот водопад с большой долей вероятности, действительно как-то связано с работой организатора. Теперь надо было понять в деталях.
В геном актинии есть целых 13 генов, которые кодируют для разных версий сигнальный белок Wnt. На стадии гаструлы они экспрессируются в различных частях эмбриона. Так как свойства осей, что организатор имеет губой бластопора, авторы сосредоточили внимание на пяти из них: Wnt1, Wnt2, Wnt3, Wnt4 и WntA. Зоны выражения этих генов на стадии средней гаструлы имеют вид концентрических кругов, частично перекрывающихся колец вокруг бластопора. Чтобы еще больше сузить поиск, авторы провели серию экспериментов, трансплантации (рис. 2). Это позволило установить, что наиболее выраженный организатор имеют способность клеток, расположенных на кривой губы бластопора (сектор 2 на рис. 2). В этой зоне экспрессируются Wnt1, Wnt3, WntA и, возможно, Wnt4, но не Wnt2. Таким образом, осталось четыре подозреваемых».
Рис. 2. Эксперименты по точное расположение участок губы бластопора, индуцирующего образование дополнительное оси тела. Слева схема эксперимента, справа — результаты. Фрагмент одного из четырех секторов губы бластопора пересаживался на аборальную сторону другой гаструлы (вверху слева). Это привело к одному из трех результатов: или развивалось нормально полип без дополнительных осей (этот вариант, на рисунке отмечен зеленым цветом), или, образуя недоразвитый дополнительный полип (красный), или был разработан полный второй оси тела (красно-коричневый). График справа показывает, что второй из четырех секторов губы бластопора индуцирует развитие избыточной валом тела более эффективно. Красными стрелками на фото показано, глотки, полипов. На рисунках, которые представляют собой поперечный срез гаструлы, серого цвета , маркированный эктодерма, синий — эндодерма. Образ владельца статья в Nature Communications
Авторы изготовили плазмид, содержащих каждый из четырех генов-кандидатов, и начали вводить в клетки эмбрионов. Установлено, что экспрессия WntA и Wnt4 не приводит к образованию лишних осей тела, в то время как выражение Wnt1 и Wnt3 иногда стимулирует развитие частично состоящие из полипов.
Более мощный организатор действие имеет набора выражение Wnt1 и Wnt3. Если эти гены работают вместе в одном месте и в зародыше, ось тела формируется в 50% случаев, и многие уголовные ненужные полипы находятся в полной мере развитых. Трансплантации клеток, индуцированной эктопической экспрессией этих генов работает так же, как и трансплантации фрагментов в сектор 2 губы бластопора, т. е. эти клетки приобретают свойства осей организатора.
Эти результаты показывают, что формирование «головы» (устно конце тела) нематостеллы действительно он вызывает сигнальный каскад Wnt/beta-catenin, и Wnt1 и Wnt3 вместе они дают организаторы свойствам эмбриональным клеткам.
Дополнительные эксперименты подтвердили этот вывод. В частности, авторы получили первые эмбрионы актинии вещества AZK (1-Azakenpaullone), что без разбора включается каскад Wnt/beta-catenin в клетках (рис. 3, вверху). Это привело к радикальной «орализации» эмбрионов. Другими словами, они не образовывался нормальный аборальный конец тела (у взрослых полип превращается в «stem»), и вместо всего аборальная сторона покрывалась складки и небольшие отверстия, как если эмбрион пытался сделать себе рты, во все стороны (рис. 3).
Рис. 3. Искусственное усиление передачи сигнала каскада Wnt/beta-catenin приводит к «орализации» эмбрионов. Слева — упрощенная схема каскада Wnt/beta-catenin. Внеклеточный сигнальный белок Wnt взаимодействует с рецептором ФЗ. Это приводит к инактивации комплекса белков, включая белок GSK3ß. Этот комплекс, как и в состояние неактивного белка бета-catenin. Освободившись от гнета GSK3ß и его сообщников, бета-катенин отправляется в ядро, где, через ряд промежуточных стадий, начинается экспрессия генов назначения (поделиться). Вещество AZK блокирует GSK3ß, что приводит к увеличению поступления бета-катенина в ядро, даже без внешней «команды», оттенок белка Wnt. j, k — эмбрионе актинии после обработки вещества AZK, в течение 72 часов после оплодотворения. j — устной, видимая часть бластопор), k — аборальная сторона, складки и небольшие отверстия. l — нормальная личинка актинии (планула) через 72 часа после оплодотворения, вид сбоку. Она имеет рот (ex бластопор) на оральном конце (отмечен звездочкой) и обычный, мягкий аборальная сторона с пучком этих расходов (апикальным органом), в верхней части. Образ владельца статья в Nature Communications
Кроме того, обработка вещества AZK делает кольцо экспрессии некоторых генов Wnt (то есть, Wnt1, Wnt2 и Wnt4) отклоняются от бластопора и смещаются в аборальном направлении. По-видимому, это означает, что в регуляции сигнальных каскадов c участие Wnt участвуют отрицательных отзывов: слишком интенсивной передачи сигнала (когда большое количество бета-катенина входит в ядро), ингибирует некоторые белки Wnt. Так или иначе, у эмбрионов, договоров, AZK, область совместной экспрессии генов Wnt1 и Wnt3 получается, что уже не вокруг бластопора, и на аборальной стороне. В соответствии с этим, клетки губ бластопора, извлеченные из этих эмбрионов, пересадка уже не способны вызывать дополнительные оси тела эмбриона рецепторов. Но эту способность они приобретают аборальные клеток эмбрионов договоров AZK, — одни и те же клетки, в которых наблюдается набора выражение Wnt1 и Wnt3.
Дополнительные эксперименты также показали, что на более ранних этапах развития Wnt1, Wnt3 и WntA экспрессируются в клетках pre-эндодермальной платы (которая потом, в ходе гаструляции, впячивается внутрь и дает начало эндодерме). Возможно, что эти гены сначала участвуют в дифференцировке будущее эндодермы, и затем, после того, как служил эту службу, начинают следующий. Область его выражение расползается на части эндодермы и приобретает вид кольца вокруг бластопора. Это кольцо и становится осевой организатором.
Авторы также изучили работу многих других генов на разных стадиях эмбрионального развития актинии. Это позволило повысить выявление черт сходства между бластопоральными оси организаторы актинии и позвоночных.
У позвоночных шпемановский организатор, участвует в формировании как передне-задней полярности (ключа является то, что Wnt-каскад), и спинно-брюшной (дорзо-вентральной). В шпемановском организатор β-катениновый сигнальный активизирует синтез «дорзализующих факторы (антагонисты рецепторов BMP), такие как chordin (рис. 1); часть тела, где воздействие BMP в клетках эктодермы подавляет эти белки, превращается в спинной мозг. У радиально-симметричных книдарий, таких, как Гидра, оси тела, только один — орально-аборальная. Соответствует, по-видимому, передний задний мост билатерий. Но класс Anthozoa (полипы кораллов), к которой относится актиния, а также есть и второй оси тела — направления оси». Вполне возможно, что это коллега дорзо-вентральной оси билатерий, потому, что главная роль в его формировании играют гены ГП и ЧД, гомологичные гены bmp4 и chordin позвоночных. Сначала ГП и ЧД экспрессируются равномерно вокруг бластопора, а затем, на стадии поздней гаструлы, регион их выражение становится асимметричной. Эта асимметрия и устанавливает директивную оси. Результаты, полученные авторами, показывают, что обучение разработке оси, основаны на работе, BMP-водопад, на первых этапах контролируется сигнальной системы Wnt/beta-catenin, но затем становится независимым Wnt. Это очень похоже на то, что наблюдается на позвоночных.
Таким образом, актинии Nematostella, представитель «низших многоклеточных», есть бластопоральный осевой Органайзер, похожий на шпемановским организатор позвоночных, не только в целом, но и во многих деталях. Это аргумент в пользу гомологии (общего происхождения этих структур зародыша. Видимо, осевой организатор, тесно связана с бластопором, была уже у общего предка книдарий и билатерий. Получается, что базовый механизм формирования полярности и осей тела, возможно, развивалось на заре эволюции животного царства, и, впоследствии, подвергли различным модификациям в различных эволюционных линиях.
Источник: Юлия Краус, Энди Любят, Ulrich Technau & Григорий Genikhovich. Pre-bilaterian origin of the blastoporal осевой organizer // Nature Communications. В 2016 году. V. 7. Номер деталя: 11694.
См. также об организаторах и функции Wnt/beta-catenin:
1) Развитие червей начинается с хвоста, «Элементы», 23.11.2006.
2) Разгадан механизм регенерации конечностей, «Элементы», 27.11.2006.
3) Белок–регулятор индивидуального развития управляет движением раковых клеток, «Элементы», 18.04.2008.
4) Генетические механизмы формирования сложных признаков постепенно проясняются, «Элементы», 14.04.2010.
5) Планария — модель объект для изучения регенерации у многоклеточных, «Элементы», 16.05.2011.
6) Разработка части спинного мозга сначала регулируются централизованно, а затем переходят на самоуправление, «Элементы», 01.10.2014.
7) Длинные плавники скатов-результат добавления новой точки роста, «Элементы», 22.12.2015.
Александр Марко, Юлия Краус