Кислород окружающей среды запускает исчезновение перепонок между пальцами
Свободные пальцы имеют очевидные преимущества на суше, в то время как перепончатые пальцы типичны для водных или планирующих животных. Новое исследование из Японии впервые показывает, что во время эмбрионального развития некоторые виды животных обнаруживают наличие атмосферного кислорода, что запускает удаление межпальцевой перепонки.
Амфибии формируют пальцы без перепонок за счёт разной скорости роста тканей. Амниоты (млекопитающие, птицы, рептилии) полагаются на межклеточную гибель клеток в перепонках, что способствует большему разнообразию форм конечностей.
Ключевой механизм
Исследователи обнаружили, что удаление межпальцевой перепонки путём гибели клеток зависит от производства активных форм кислорода (ROS), что происходит только у эмбрионов, подвергающихся воздействию достаточного уровня кислорода во время развития.
"Мы считаем, что межклеточная гибель клеток появилась у амфибий лишь как побочный продукт высокого уровня кислорода — первый шаг в этом эволюционном процессе", — говорит старший автор Микико Танака из Токийского технологического института.
Экспериментальные доказательства
- У эмбрионов цыплят (амниот) изменение уровня кислорода напрямую влияло на количество умирающих клеток.
- Увеличение количества окружающего кислорода индуцировало межклеточную гибель клеток у африканской когтистой лягушки (амфибии, у которой её обычно нет).
- Увеличение плотности кровеносных сосудов в конечностях этих лягушек также вызывало гибель клеток.
Эволюционная перспектива
Исследование двух других видов амфибий показало:
- Японская огненнобрюхая саламандра — нет межклеточной гибели клеток.
- Лягушка коки — есть умирающие клетки в межпальцевых областях.
Важно, что лягушки коки, в отличие от других двух амфибий, развиваются без стадии головастика в наземных яйцах и дышат кислородом из воздуха. Это демонстрирует, что межклеточная гибель клеток коррелирует со стратегией жизненного цикла и доступностью кислорода у четвероногих позвоночных.
Роль ROS и чувствительность тканей
Межпальцевая область богата кровеносными сосудами — источником кислорода для тканей. Часть кислорода может преобразовываться в ROS. "Парадоксально, но ROS традиционно считаются "злодеями", например, при старении и бесплодии, — говорит Танака. — Но становится ясно, что существуют физиологические уровни ROS, которые регулируют несколько сигнальных путей".
Команда считает, что два основных фактора сделали межпальцевую область чувствительной к увеличению ROS:
- Активная передача сигналов Bmp (ключевой путь для индукции гибели клеток у амниот).
- Ремоделирование кровеносных сосудов (увеличивает доступность кислорода).
Эволюционное значение
"Новый механизм развития, приобретённый амниотами — межклеточная гибель клеток — позволил эволюции создать большое разнообразие форм конечностей", — отмечает Танака.
Будущие направления
Команда планирует изучить, какие именно пути регулируются ROS во время развития, и понять, как гибель клеток стала неотъемлемой частью развития конечностей у амниот в ходе эволюции. Это также может дать представление о том, как лекарства, приводящие к избыточному производству ROS (этанол, фенитоин, талидомид), могут вызывать пороки развития у людей.