Люди развиваются медленнее мышей из-за различий в биохимии

Учёные из Центра динамических исследований биосистем RIKEN, Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Барселоне, Университета Помпеу Фабра и Киотского университета обнаружили, что «сегментационные часы» — генетическая сеть, управляющая формированием паттерна тела у эмбрионов, — работают медленнее у людей, чем у мышей. Это связано с тем, что биохимические реакции в человеческих клетках протекают медленнее. Различия в скоростях биохимических реакций могут лежать в основе видовых различий в темпе развития.

На ранней стадии развития позвоночных эмбрион формирует серию «сегментов», которые впоследствии дифференцируются в различные типы тканей, например, мышцы или рёбра. Этот процесс регулируется осциллирующим биохимическим процессом, известным как сегментационные часы, период которого различается у разных видов. Например, он составляет около двух часов у мышей и около пяти часов у людей. Причина этого различия оставалась загадкой.

Чтобы её решить, группа начала эксперименты с использованием эмбриональных стволовых клеток мышей и индуцированных плюрипотентных стволовых (iPS) клеток человека, которые были преобразованы в клетки пресомитной мезодермы (PSM), участвующие в работе сегментационных часов.

Исследователи выяснили, что ключевое различие заключается не в сети взаимодействий между клетками, а во внутриклеточных процессах.

Поскольку внутриклеточные процессы оказались ключевыми, учёные предположили, что разница может быть в работе главного гена HES7, который контролирует процесс, подавляя собственную промоторную область. Однако эксперименты по замене генов между человеческими и мышиными клетками не изменили период цикла.

«Не сумев показать разницу в генах, мы получили возможность предположить, что разница обусловлена различными биохимическими реакциями внутри клеток», — отметила Мики Эбисуя, руководитель исследования.

Учёные исследовали такие факторы, как скорость деградации белка HES7, которая является важным элементом цикла. Они обнаружили, что и человеческий, и мышиный белки деградируют медленнее именно в человеческих клетках. Также были выявлены различия во времени, необходимом для транскрипции и трансляции HES7 в белки, а также для сплайсинга интронов HES7.

«Таким образом, мы смогли показать, что именно клеточное окружение в человеческих и мышиных клетках является ключом к различным скоростям биохимических реакций и, следовательно, к различным временным масштабам», — говорит Эбисуя.

Исследователи ввели концепцию «развития с разной скоростью» (developmental allochrony). Остающаяся загадка — что именно в человеческих и мышиных клетках вызывает разницу во времени реакций. Дальнейшие исследования планируется направить на её решение.

Исследование опубликовано в журнале Science.