Биологи определили механизм восприятия среды клетками
Исследователи под руководством эволюционного биолога Крейга Альбертсона из Массачусетского университета в Амхерсте обнаружили молекулярный механизм, позволяющий организму изменять свою форму в зависимости от условий окружающей среды — процесс, известный как фенотипическая пластичность.
Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, было сосредоточено на взаимодействии генов и среды в формировании анатомической формы.
Модельная система: цихлиды
Учёные работали с рыбами цихлидами, известными как чемпионы фенотипической пластичности. Они способны за один сезон изменять твёрдость или форму костей челюсти в зависимости от типа питания. Это свойство, наряду с быстрой эволюцией, позволило цихлидам адаптироваться к различным источникам пищи.
Роль сигнального пути Hedgehog (Hh)
Ключевым открытием стало определение сигнального пути Hedgehog (Hh) как важного игрока в этом процессе. Исследователи обнаружили связь между пластичностью скорости отложения костной ткани у цихлид, вынужденных использовать разные стратегии питания, и уровнем сигнала Hh:
- Более высокие уровни сигнала обнаруживались у рыб в среде, где откладывалось больше костной ткани.
- Более низкие уровни — где отложение кости было меньше.
Важную подсказку дал первичный цилий — механосенсорный органоид на поверхности клеток, включая клетки, формирующие скелет. Ключевые белковые компоненты пути Hh физически связаны с этой структурой, что делает его очевидным кандидатом на роль сенсора окружающей среды.
Экспериментальное подтверждение
Используя трансгенные системы на рыбках данио для точного управления сигналом Hh («как регулятор громкости»), команда показала:
- Неманипулированные данио откладывали разное количество кости в разных условиях питания.
- При снижении уровня Hh эти различия исчезали.
- При увеличении уровня Hh различия в скорости отложения кости dramatically увеличивались.
«Костные клетки этих рыб врождённо чувствительны к разным механическим средам. Но мы смогли управлять этой системой с помощью одного молекулярного переключателя — вы усиливаем сигнал Hh, и клетки становятся более чувствительными к среде, или ослабляете его, и клетки становятся почти "глухими" к среде», — объясняет Альбертсон.
Эволюционное значение
Тот факт, что один и тот же молекулярный аппарат лежит в основе как эволюционного расхождения, так и пластичности челюсти, важен. Это согласуется с теорией о том, что краткосрочная пластичность может определять направление долгосрочной эволюции, объясняя предсказуемость эволюции в линиях, неоднократно адаптирующихся к сходным условиям.
Сигнальный путь Hh также регулирует пластичность рогов у жуков, что указывает на его возможную универсальную роль в качестве сенсора среды у разных тканей и животных.