Базовый «инструментарий» для развития органов раскрыт на примере морской звезды

Формирование полых трубчатых структур — один из самых фундаментальных и важных эмбриональных процессов у практически всех живых организмов. Эти трубки могут образовывать кровеносные сосуды или пищеварительный тракт, а через ветвление и дифференцировку — сложные органы, включая сердце, почки и молочные железы.

Аномалии в этих процессах могут вызывать врожденные нарушения, такие как дисфункциональные, смещенные или несимметричные органы, а также дефекты регенерации в кровеносных сосудах или других регенеративных органах. Несмотря на фундаментальную важность, общие механизмы образования полых трубок во время эмбриогенеза изучены недостаточно из-за большого разнообразия стратегий, которые используют животные. Здесь на помощь приходит морская звезда — древнее морское существо, процесс тубулогенеза у которого относительно легко изучать, и которое становится важным организмом для понимания генетики и механики образования трубок.

В выпуске Nature Communications от 9 мая Маргерита Перилло из Морской биологической лаборатории (MBL) и ее коллеги подробно раскрывают инициацию и ранние стадии образования трубок у морской звезды Patiria miniata. «Большинство наших органов трубчатые, потому что им нужно транспортировать жидкости, газы, пищу или кровь. А более сложные органы, такие как сердце, начинаются как трубка, а затем развивают различные структуры. Таким образом, тубулогенез — это очень базовый шаг для формирования всех наших органов», — сказала Перилло.

Перилло выбрала морскую звезду в качестве объекта исследования, «потому что я хотела понять основной механизм образования трубок, который консервативен у всех позвоночных. Поэтому мне нужно было животное, находящееся в основании древа жизни, [эволюционировавшее] до хордовых», — сказала она. Используя CRISPR и другие методы для анализа функции генов, а также длительные покадровые съемки развивающихся личинок морской звезды, Перилло и коллеги выяснили, как этот организм генерирует трубки, ответвляющиеся от его кишечника.

Ее исследование определяет базовый инструментарий, из которого могли развиться трубчатые органы хордовых (к которым относятся позвоночные — рыбы, земноводные, рептилии, птицы и млекопитающие — и несколько беспозвоночных подтипов).

Одним из открытых вопросов в биологии было то, как именно организмы развиваются из одной клетки в сложные 3D-трубчатые структуры различных органов, сказала Перилло. У некоторых организмов, таких как мухи, «происходит большой раунд пролиферации клеток, прежде чем все клетки начинают совершать очень сложные миграционные паттерны, чтобы удлиниться, изменить свою форму и стать трубкой», — сказала она.

У других животных, включая млекопитающих, пролиферация и миграция клеток происходят одновременно. В случае морской звезды «я обнаружила, что для образования трубки клетки могут пролиферировать и мигрировать одновременно», как и при развитии позвоночных. «Это означает, что этот механизм создания органов уже был установлен в основании», или у корня эволюции хордовых, — сказала она.

Помимо предоставления информации о фундаментальном процессе, ведущем к образованию органов, морские звезды могут служить моделью для многих биомедицинских исследований, предполагает Перилло. Например, она обнаружила, что ген под названием Six1/2 служит ключевым регулятором процесса ветвления при образовании трубок. У мышей нокаут Six1/2 вызывает аномальное формирование почек. Но исследователи также обнаружили, что мыши, лишенные этого гена, устойчивы к образованию опухолей, даже при инъекции им опухолевых клеток. Этот ген, который сверхэкспрессируется в раковых клетках, может привести к новым способам изучения прогрессирования заболеваний, включая рак.

«Теперь я могу использовать этот ген, чтобы понять не только то, как развиваются наши органы, но и что происходит с органами при заболевании, особенно раке», — говорит она. «Я надеюсь, что максимум через 5–10 лет мы сможем использовать этот ген, чтобы тестировать, как в органах развивается рак и как рак становится метастатическим».

Эмбрионы морской звезды имеют много практических экспериментальных преимуществ, сказала Перилло. Они в основном прозрачны, поэтому внутренние процессы роста можно наблюдать напрямую в течение длительных периодов развития, не вредя организму. Их также легко собирать и разводить в больших количествах круглый год, «поэтому у меня всегда много материала для работы».