Новое исследование раскрывает механизмы перехода от туловища к хвосту у позвоночных

Одно из самых заметных анатомических различий между телами позвоночных — относительный размер их шеи, туловища и хвоста. Это можно проиллюстрировать, сравнив тела типичной змеи и ящерицы с длинным хвостом. Оба тела очень длинные и внешне похожи. Однако большая часть тела змеи — это туловище, заполненное органами пищеварительной, выделительной и репродуктивной систем, тогда как самая большая часть тела ящерицы — это мускулистый хвост. Эти разные планы строения тела генетически определяются во время эмбрионального развития.

В последнем выпуске журнала Developmental Cell группа Моисеса Малло из Института Гульбенкяна де Сьенсия (IGC, Португалия) показала, что переход от туловища к хвосту внутренне связан с индукцией ног и эмбриональной клоаки, и что этот процесс координируется генетическим каскадом, запускаемым сигнальным фактором Gdf11. Это исследование может помочь понять некоторые врожденные синдромы человека, ведущие к порокам развития нижней части тела.

Во время эмбрионального развития тело формируется постепенно, начиная с головы и заканчивая хвостом. Этот процесс зависит от активности группы клеток (известных как осевые клетки-предшественники), расположенных на самом заднем конце эмбриона, которые производят новые ткани по мере его роста. После формирования головы и шеи эти клетки-предшественники начинают создавать туловище, что включает скоординированное производство большинства жизненно важных органов животного. В определенный момент программа эмбрионального роста меняется и начинает производить ткани хвоста вместо туловища. Это изменение происходит одновременно с формированием у эмбриона клоаки (конечного отверстия пищеварительного, репродуктивного и мочевыводящего трактов) и ног (более обобщенно — задних конечностей).

Группа Моисеса Малло обнаружила, что формирование клоаки и ног является внутренним компонентом перехода от туловища к хвосту, и определила несколько ключевых регуляторов этого процесса. Они выяснили, что сигнальный путь Gdf11 находится на вершине генетической иерархии, регулирующей этот переход.

Исследователи показали, что если генетически инактивировать Gdf11 у мыши, у животных формируется более длинное туловище, а их ноги расположены дальше от передних конечностей, чем у нормальных мышей. В противоположном эксперименте, когда они вызывали преждевременную активацию Gdf11, результат был обратным: крайне уменьшенное туловище и задние конечности, расположенные прямо рядом с передними.

"Наши челюсти почти коснулись пола, когда мы впервые увидели этих эмбрионов, потому что такие сильные изменения в положении ног никогда раньше не наблюдались", — говорит Моисес Малло.

Исследователи также определили некоторые ключевые элементы, участвующие в выполнении программы, инициированной Gdf11, которая завершает формирование туловища и начинает формирование хвоста. Одним из самых интересных элементов является ген Isl1 (Islet 1). Gdf11 активирует этот ген специфически в подгруппе осевых клеток-предшественников, ответственных за создание внутренних органов в туловище. Следствием активации Isl1 является то, что эти клетки-предшественники теперь вынуждены формировать клоаку и задние конечности вместо органов. Это указывает на то, что ноги позвоночных на самом деле являются следствием того, как Isl1 останавливает эту группу клеток-предшественников от создания внутренних органов, которые больше не требуются в хвосте.

Работа группы Малло также несет дополнительное сообщение: генетическая программа, регулирующая переход от туловища к хвосту, должна быть идеально скоординирована во времени и пространстве, потому что ее нарушение приводит к широкому спектру пороков развития в нижней части тела, обычно затрагивающих позвоночный столб, желудочно-кишечный, репродуктивный и мочевыводящий тракты. Эти пороки развития близко воспроизводят клинические характеристики таких человеческих патологий, как синдром каудальной регрессии или сегментарная дисгенезия позвоночника, что указывает на их возможное происхождение от нарушений перехода от туловища к хвосту во время эмбрионального развития.

"То, что мы обнаружили, может быть важно не только для понимания механизмов, генерирующих широкое анатомическое разнообразие среди видов позвоночных, но также может дать важные ключи к пониманию некоторых из этих врожденных синдромов человека", — говорит Моисес Малло.