Ученые выяснили, как насекомые «перестраивают» свои тела между стадиями жизни

Работая с плодовыми мушками, команда под руководством Иэна и Дианны Дункан из Университета Вашингтона в Сент-Луисе раскрыла часть механизма, лежащего в основе метаморфоза насекомых. Их исследование опубликовано в PNAS.

Загадка перепрограммирования

Плодовые мушки проходят три основные фазы жизни: личинка, куколка и взрослая особь. Ранее было известно, что формирование личинки и взрослой особи контролируется одними и теми же «сигнальными системами» (цепочками биохимических реакций). Непонятно было, как одни и те же системы могут создавать совершенно разные формы.

Ученые из Кембриджа в 2011 году обнаружили, что регуляторный ген на разных стадиях метаморфоза активирует почти полностью разные наборы генов-мишеней. Это указывало на глобальное изменение «правил игры» между стадиями.

Ключевой ген E93

Дунканы и их коллеги сфокусировались на гене E93, который активируется стероидными гормонами, но только на стадии куколки. Он необходим для формирования всех новых структур куколки, но не играет роли в развитии личинки.

Исследователи изучили его работу на примере активации гена-мишени Distal-less, который отвечает за формирование темных пятен (бракт) у щетинок на ногах мухи. Этот ген-мишень активируется хорошо изученным сигнальным путем — EGFR (рецептор эпидермального фактора роста).

Эксперименты показали:

• В мутантных мушках без гена E93 клетки не реагируют на сигнал EGFR, и бракты не формируются.
• Для включения Distal-less необходимы оба фактора: E93 (который говорит когда включаться) и сигналинг EGFR (который говорит где включаться).
• Такая система «двух переключателей» гарантирует активацию гена только в нужное время и в нужном месте.

Искусственная активация

Идея о двух переключателях подтвердилась: искусственно активировать Distal-less на неправильной стадии (например, у личинки), включив только E93 или только EGFR, — невозможно. Однако если активировать оба одновременно, ген Distal-less включается даже у личинки.

«Это открытие было важным, потому что оно показало, что E93 может заставить клетки вести себя так, как будто они находятся в куколке, даже если это не так. E93 говорит, что настало подходящее время», — объясняет Иэн Дункан.

От бракт к мозгу

Бракты — удобный, но не самый значимый анатомический признак для изучения. Теперь Дунканы планируют исследовать влияние E93 на мозг плодовой мушки, который также подвергается масштабной перестройке на стадии куколки.

Здесь обнаруживается интригующая параллель с человеком:

• Во время полового созревания (аналога метаморфоза у насекомых, также запускаемого гормонами) происходит ремоделирование лобных долей мозга.
• Именно в этот период часто проявляются такие заболевания, как биполярное расстройство и шизофрения.
• Существует человеческий гомолог гена E93 — LCOR (лиганд-зависимый ко-репрессор), который также вовлечен в стероидную сигнализацию.

«В этот период происходит так много гибели клеток и перестройки нейронных связей, — говорит Дианна Дункан, — что просто удивительно, как мы вообще через это проходим».