Захребетные часы эмбриона

Красота живых тварей в симметрии, определяющей строение тела у всех многоклеточных. Хотя если вспомнить, что все мы развиваемся из маленьких «шариков» – гаструлы и бластулы, странно, что мы всё-таки зеркально, а не сферически симметричны.

Помимо внешнего сходства двух половинок в теле, мы получили от своих предков, кольчатых червей, ещё один подарок – сегментарность строения, проявляющуюся при развитии позвоночника и спинного мозга. Непонятным до сих пор оставался механизм, определяющий количество этих сегментов, которое у змей достигает 300 штук, а у человека ограничено всего 33 позвонками.

Оливер Пурке и его американские и британские коллеги выяснили, что число повторов определяют специальные внутренние биологические часы, «тикающие» у эмбрионов змей гораздо быстрей, чем у остальных.

Появление двусторонней симметрии позволило многоклеточным животным разнести отдельные функции вдоль всего тела. Причем на первом этапе – у всех червей — зеркально отображались не только внешние признаки, но и внутренние органы. Как такового скелета у них не было, хотя кольчатые черви обладают оригинальным способом поддерживать свое рыхлое тело. В каждом сегменте, которые у них даже разделены перегородками, есть полости, заполненные жидкостью. А поскольку последняя практически не сжимаема, то такого «гидроскелета» вполне достаточно в качестве опоры для мышц.

Рыбы и земноводные ещё более совершенны. Они смогли разместить внутренние системы в произвольном порядке, выбрав в качестве опоры внутренний скелет. Развивается он примерно так же, как и сегменты червей, – из так называемых сомитов, формирующихся на ранних стадиях развития эмбриона.

Этот процесс давно притягивает биологов хотя бы потому, что за короткий срок – у кого-то несколько дней, а у кого-то и более года — в новом организме происходят превращения, использующие все возможные биологические феномены – от эпигенетичсекого регулирования до апоптоза. Казалось бы, вполне здоровые клетки ни с того ни с сего умирают, оставляя пустые пространства, в то время как другие начинают ускоренно делиться, а третьи переходят в «спящее» состояние, дожидаясь своего часа.

Найти управляющие элементы системы, обеспечивающие такую точную регулировку и синхронизацию в целом, учёным пока не удаётся. Конечно, о механизмах развития отдельных органов известно достаточно много, но вот можно ли контролировать весь процесс целиком, пока неизвестно.

Пурке и его коллеги решили поискать подобные факторы, способные влиять на отдельные элементы развития, выбрав в качестве последнего позвоночник.

Они тщательно изучили этот процесс у рыбы, мыши, змеи и цыпленка с точки зрения генетики и хронобиологии. Как и предполагалось, без периодичности тут не обошлось.

Сначала ученые обнаружили, что гены факторов роста в этих сегментах активируются через строго определенные промежутки времени. Но это лишь следствия первичного механизма, также найденного учёными. Пурке и его коллегам удалось идентифицировать и регуляторные гены, контролирующие эти изменения. Часть из них отсеяли из-за отсутствия цикличности их экспрессии, а два семейства – MSGN и LFNG — как нельзя лучше вписались в теорию.

Новый сомит образуется у зародыша змеи каждые 100 минут, в то время как у рыбы, цыпленка и мыши – через 30, 90 и 120 минут соответственно.

Вкупе с полным временем развития позвоночника, индивидуальным для каждого вида, этот период и определяет количество позвонков. При этом число клеточных делений, которые требуются на весь процесс, не сильно отличается для разных животных. Несложные расчёты показывают, что на 315 «члеников» змеи требуется 21 поколение клеток, в то время как на 65 сомитов мыши – 17, а 55 позвонков цыпленка –13.

Авторы пришли к выводу, что в данном случае работает теория «волнового фронта». Она предусматривает, что в зависимости от расположения клеток в рамках нового сомита изменяется работа генов в них. А граница, на которой происходит это изменение, движется по зародышу, причем происходит это не из-за контактов с «соседками», как в других реакциях эмбриогенеза, а благодаря внутренним часам, тикающим у змей гораздо быстрее.

Правда, за такое «совершенство» и ползучесть гадам пришлось расплачиваться половиной внутренних органов, отсутствующих для обеспечения лучшего баланса.

Более подробно с работой Пурке и его коллег можно ознакомиться в последнем выпуске Nature.