Регуляция быстрого развития плодовой мушки

Человеку с рождения требуется почти два десятилетия, чтобы достичь взрослого состояния; плодовой мушке Drosophila melanogaster — всего около 10 дней. На начальных стадиях развития эмбрион мухи меняется буквально от минуты к минуте, а план её тела формируется всего за несколько часов. Исследователи из Калтеха получили новые данные о том, как гены мухи влияют на этот быстрый период развития. Эта работа в перспективе может пролить свет на быструю клеточную пролиферацию в других ситуациях, включая раковые заболевания у человека.

Исследование проводилось в лаборатории профессора биологии Ангелики Статопулос. Статья с описанием работы опубликована в выпуске журнала Developmental Cell от 17 декабря.

В отличие от эмбриона человека, который начинается с одной делящейся клетки, ранний эмбрион дрозофилы представляет собой один «мешок» в форме мяча для регби, заполненный делящимися ядрами. Каждое деление ядер составляет один ядерный цикл, который длится от 8 до 15 минут. После 14-го ядерного цикла в «мешке» содержится около 6000 ядер. В этот момент эмбрион разделяется на отдельные клетки, а продолжительность циклов увеличивается.

Ядро содержит генетическую информацию организма, его можно сравнить с библиотекой. Каждый ген — это отдельная справочная книга с инструкциями по сборке белка. Эти «книги» (гены) никогда не покидают «библиотеку», поэтому, чтобы клетка могла использовать инструкции, необходимо сделать фотокопию и вынести её из ядра. Этот процесс копирования называется транскрипцией.

Существуют ограничения на скорость транскрипции гена, поэтому некоторые особенно длинные гены не могут быть транскрибированы полностью за время одного короткого ядерного цикла. Вместо этого транскрибируется только часть гена — «фотокопируется» только одна глава книги.

Для статьи в Developmental Cell команда учёных из Калтеха под руководством бывшего аспиранта Джереми Сандлера (Ph.D. '17) задалась целью изучить, какую функцию (если она есть) выполняют эти короткие транскрипты в развивающемся эмбрионе.

В частности, группа изучала активность одного длинного гена с контринтуитивным названием short gastrulation, или sog, в ходе ранних ядерных циклов эмбрионов дрозофилы. Ген sog кодирует сложный белок, ответственный за регуляцию клеточной коммуникации (клеточной сигнализации). Сандлер обнаружил, что в ходе быстрых ранних стадий развития дрозофилы производятся короткие транскрипты sog, которые кодируют частичный, но всё ещё функциональный белок.

Ранее исследователи, обнаруживавшие ген sog на ранних стадиях развития эмбриона, предполагали, что его присутствие — ошибка, поскольку частично транскрибированный ген обычно не транслируется в рабочий белок. Но команда из Калтеха обнаружила, что укороченная версия Sog на самом деле играет в эмбрионе собственную важную роль.

В норме полный белок Sog регулирует особый канал химической связи между клетками — сигнальный путь TGF-ß (Transforming growth factor beta). Сигнальный путь TGF-ß подобен определённой радиочастоте: в раннем эмбрионе клетки используют TGF-ß для передачи сообщений о развитии нервной системы мухи. Клетки посылают сообщения с помощью молекул, называемых лигандами.

Полный белок Sog захватывает лиганды, переносит их по эмбриону и доставляет в нужное место для начала коммуникации. Короткая форма белка Sog, производимая из укороченного транскрипта, также может захватывать лиганды — но не может их отпускать. Это заглушает любую попытку коммуникации через путь TGF-ß.

Как объясняет Сандлер: «Короткая форма белка Sog, которая производится на самых ранних стадиях развития эмбриона, заглушает всю коммуникацию на канале TGF-ß, секвестрируя все лиганды. Это как будто короткий Sog говорит: "Эй, ребята, мы ещё не можем посылать сигналы. Слишком рано думать о развитии нейронов"».

Позже, в развитии мухи, появляется больше времени для транскрипции полной длины гена sog и производства полного белка Sog. Этот полный белок может как захватывать, так и высвобождать лиганды, поэтому он способен инициировать TGF-ß сигнализацию.

«Мы были рады узнать, что короткая форма этого гена — не просто поспешный, случайный, частичный транскрипт, — говорит Сандлер. — Она фактически контролирует, когда включается сигнальный путь. Это ранее не описанная программа в развитии, которая регулирует время сигнализации во всём эмбрионе».

Хотя дрозофилы сильно отличаются от человека, они представляют собой мощную модель для изучения экспрессии генов в ходе быстрого развития. Понимание роли коротких транскриптов в здоровом организме также может дать представление о том, что происходит, когда развитие идёт неправильно, как в случае рака. Когда клетки становятся раковыми, производится множество коротких транскриптов генов, и — как если бы была скопирована и использована только одна глава инструкции — этим коротким формам не хватает ключевых последовательностей, которые в противном случае сдерживали бы активность гена. Лаборатория Статопулос планирует продолжить работу по пониманию того, как производятся эти короткие транскрипты и как они влияют на нормальное развитие.

Статья называется «Программа развития укорачивает длинные транскрипты для временной регуляции клеточной сигнализации».