Как морские анемоны обрели спину: древний молекулярный механизм

Исследование Венского университета показало, что морские анемоны используют для формирования своей оси «спина–брюхо» тот же молекулярный механизм («челночный транспорт BMP»), что и билатеральные животные. Этот механизм позволяет клеткам организовываться в процессе развития, интерпретируя градиенты сигнальных молекул.

Результаты, опубликованные в Science Advances, указывают на то, что эта система эволюционировала гораздо раньше, чем считалось, и уже присутствовала у общего предка стрекающих (Cnidaria) и билатеральных животных (Bilateria).

Большинство животных демонстрируют билатеральную симметрию — план строения с головой и хвостом, спиной и брюхом, левой и правой сторонами. Эта организация характерна для обширной группы Bilateria, включающей позвоночных, насекомых, моллюсков и червей.

В отличие от них, стрекающие, такие как медузы и морские анемоны, традиционно описываются как радиально-симметричные. Однако у морских анемон, несмотря на внешнюю радиальность, билатеральная симметрия проявляется сначала на уровне экспрессии генов в эмбрионе, а затем и анатомически у взрослых особей.

Это поднимает ключевой эволюционный вопрос: возникла ли билатеральная симметрия у общего предка Bilateria и Cnidaria или развивалась независимо в разных линиях животных?

Челночный транспорт для развития

У билатеральных животных ось «спина–брюхо» формируется сигнальной системой, включающей белки костного морфогенеза (BMP) и их ингибитор хордин (Chordin).

BMP действуют как молекулярные сигналы, указывая эмбриональным клеткам их положение и будущую тканевую судьбу. Хордин связывает BMP и блокирует их активность в процессе «локального ингибирования». В некоторых модельных организмах хордин также может транспортировать связанные BMP в другие области эмбриона, где они высвобождаются снова — этот механизм известен как «челночный транспорт BMP».

И локальное ингибирование, и челночный транспорт создают градиент активности BMP в эмбрионе. Клетки считывают этот градиент и принимают разные судьбы в зависимости от уровня BMP-сигналинга. Например, у позвоночных центральная нервная система формируется там, где сигналинг BMP самый низкий, почки — при промежуточных уровнях, а кожа брюха — в области максимальной активности BMP.

Чтобы выяснить, является ли челночный транспорт BMP с помощью хордина древним механизмом формирования оси, исследователи обратились к билатерально-симметричным животным за пределами Bilateria — морским анемонам.

Древний план

Учёные использовали модель морской анемоны Nematostella vectensis. В её эмбрионах сначала заблокировали производство хордина. В отличие от билатерий, у Nematostella BMP-сигналинг требует присутствия хордина, поэтому без него формирование второй оси тела не происходило.

Затем хордин был возвращён в небольшую часть эмбриона. BMP-сигналинг восстановился, но оставалось неясным, действует ли хордин как локальный ингибитор или как активный челнок.

Для проверки использовали две версии хордина: одну мембраносвязанную и неподвижную, другую — диффундирующую. Если бы хордин действовал только как локальный ингибитор, обе формы восстановили бы BMP-сигналинг на противоположной стороне эмбриона. Однако только диффундирующая форма может работать как челнок.

Результаты были однозначны: только диффундирующая форма хордина смогла восстановить BMP-сигналинг на расстоянии от своего источника. Это доказывает, что хордин действует как челнок для BMP у морских анемон — так же, как у мух и лягушек.

Общая стратегия, сохранившаяся за 600 миллионов лет эволюции

Наличие челночного транспорта BMP как у стрекающих, так и у билатеральных животных позволяет предположить, что этот молекулярный механизм предшествовал их эволюционному расхождению около 600–700 миллионов лет назад.

«Не все билатерии используют опосредованный хордином челночный транспорт BMP (например, лягушки — да, а рыбы — нет), однако этот механизм снова и снова появляется у очень отдалённо родственных животных, что делает его хорошим кандидатом на роль древнего механизма паттернирования. Тот факт, что не только билатерии, но и морские анемоны используют челночный транспорт для формирования осей тела, говорит нам о невероятной древности этого механизма», — говорит первый автор исследования Дэвид Мёрсдорф.

«Если последний общий предок Cnidaria и Bilateria был билатерально-симметричным животным, высока вероятность, что он использовал хордин для челночного транспорта BMP, чтобы создать свою ось "спина–брюхо". Наше новое исследование это показало», — добавляет старший автор работы Григорий Генихович.