Выявлены генетические механизмы метаморфоза кораллов

Исследователи определили механизмы регуляции экспрессии генов, которые управляют метаморфозом кораллов — превращением свободноплавающих личинок в сидячих взрослых особей, строящих рифы.

Исследование, описывающее эти находки, было опубликовано в журнале Zoological Letters 25 января 2022 года.

Момент, когда кораллы превращаются из свободноплавающих (планктонных) личинок в сидячих полипов, является, возможно, самым важным событием в жизни этого животного, приводя к радикальным и резким изменениям как в строении тела, так и в поведении. Когда личинки сталкиваются с определёнными сигналами от поверхности субстрата, они прекращают плавать, оседают на неё и принимают округлую форму. У рода Acropora эти сигналы исходят от биоплёнки водорослей. При достаточной стимуляции личинки делают следующий шаг и проходят через радикальную и необратимую дифференцировку клеток, включая прочное прикрепление к субстрату.

Однако молекулярные процессы на генетическом и клеточном уровне этого метаморфоза долгое время оставались загадкой.

Ранее другим учёным удалось выявить критический период времени, когда клетки кораллов рода Acropora (включающего более 150 видов, ответственных за строительство рифов) «принимают решение» о трансформации. С этого момента кораллы не могут вернуться в состояние до метаморфоза — так называемую «точку невозврата». Но что именно происходит на более глубоком уровне в этой точке, до сих пор оставалось неизвестным.

Чтобы это выяснить, авторы исследования проанализировали изменения в транскриптоме — полном наборе молекул матричной РНК (mRNA), экспрессируемых организмом или клеткой, — до и после точки невозврата у вида Acropora. Молекулы mRNA играют ключевую роль, копируя («транскрибируя») генетический «рецепт», закодированный в ДНК, и доставляя его к рибосомам — клеточным «фабрикам» по производству белков. Анализ транскриптома коралла до и после метаморфоза должен показать разницу в активируемых генетических «рецептах» (экспрессии генов) в этот период.

Исследователи собрали образцы колоний вида Acropora tenuis с острова Сесоко в префектуре Окинава, Япония. Кораллы содержались в аквариумных условиях, приближенных к естественным. Метаморфоз индуцировали с помощью нейропептида, известного своей способностью запускать этот процесс. Дальнейшие образцы для экстракции RNA отбирали в различные моменты времени до и после точки невозврата.

Проведённое затем секвенирование RNA позволило проанализировать изменения экспрессии генов с высоким временным разрешением и выявить ряд молекулярных механизмов, вероятно, ответственных за необратимость метаморфоза.

Исследователи обнаружили, что изменения в восприятии сигналов происходят через изменение экспрессии группы генов, регулирующих G-белок-сопряжённые рецепторы (GPCRs), в частности рецепторные белки GABA и белки «Frizzled», на ранней стадии метаморфоза, а также генов, запускающих расщепление определённых белков.

GPCRs — одна из крупнейших групп рецепторов на поверхности клеток, действующих как «почтовые ящики», получающие сигналы от белков, сахаров, жиров и других соединений. Эти сигналы сообщают клетке информацию об окружающей среде или передают данные от других клеток, активируя внутриклеточные мессенджеры и запуская определённый ответ. Рецепторы Frizzled играют ключевую роль в эмбриональном развитии, а рецепторы GABA реагируют на нейромедиатор GABA — соединение, которое подавляет определённую активность и побуждает клетки к дифференцировке (принятию различных форм).

В данном случае опосредованный рецепторами клеточный ответ на стимулы включает дифференцировку клеток и расщепление определённых белков, что в совокупности приводит к кардинальным изменениям, делающим процесс метаморфоза необратимым.

Учёные также предполагают, что рецепторы GABA могут играть роль в поиске личинкой подходящего субстрата перед метаморфозом, обеспечивая правильную среду для взрослой формы. Эта способность теряется по мере протекания метаморфоза, поскольку такой поиск становится ненужным.

«Интригующей неожиданной находкой стала экспрессия генов зелёных флуоресцентных белков после точки невозврата, — сказал эволюционный биолог Синъитиро Маруяма из Высшей школы наук о жизни Университета Тохоку, соавтор исследования. — Это предполагает, что флуоресценция играет какую-то ключевую физиологическую и экологическую роль на ранних стадиях развития, которая совершенно не изучена, например, в привлечении симбиотических водорослей».

Выявив гены-кандидаты, участвующие в метаморфозе, учёные хотят проверить, может ли модификация этих генов изменить точку невозврата. Кроме того, они подчёркивают, что их выводы ограничены кораллами в контролируемых лабораторных условиях, и планируют изучить, как процессы меняются в естественной среде.