Идеальный тайминг: как происходит «переключение» с ювенильной стадии на взрослую

О механизмах, контролирующих начало полового созревания у людей, известно очень мало. Однако открытие нового гена у круглого червя C. elegans может стать «недостающим звеном», определяющим время для этого перехода. Два гена, LIN28 и MKRN3, уже известны своей связью с преждевременным половым созреванием у людей, когда у детей в возрасте шести лет могут начать развиваться взрослые черты. Эти гены есть у всех животных, включая C. elegans, где они также контролируют переход от ювенильной стадии к взрослой. До нового открытия было неясно, как связаны эти два гена.

Более очевидные признаки перехода — внешние (морфология тела, зрелые гениталии), но одновременно происходят и изменения в нервной системе. У людей созревание мозга в подростковом периоде связано с повышенной уязвимостью к различным нейропсихиатрическим расстройствам, поэтому лучшее понимание этих процессов важно как для психического здоровья, так и для фундаментальной нейробиологии.

Два новых исследования, опубликованные в журналах Developmental Cell и eLife (лаборатории Дугласа Портмана, доктора философии, в Медицинском центре Университета Рочестера и Дэвида Фитча в Нью-Йоркском университете), выявили новый механизм контроля времени развития, связанный с длинной некодирующей РНК у микроскопического круглого червя C. elegans. Их работа раскрыла удивительный новый молекулярный механизм, который контролирует время полоспецифичных изменений формы тела, созревания нейронных цепей и поведения.

C. elegans давно используется исследователями для понимания фундаментальных биологических механизмов. Многие открытия, сделанные на этих червях, применимы во всём животном царстве и привели к более широкому пониманию биологии человека. Фактически, три Нобелевские премии по медицине и химии были присуждены за открытия с участием C. elegans.

Исследователи идентифицировали новый ген, нарушение работы которого задерживает переход от ювенильной стадии к взрослой. Удивительно, но этот ген, названный lep-5, функционирует не как белок, как большинство генов. Вместо этого он действует как длинная некодирующая РНК (lncRNA) — недавно открытый класс генов, функции которых в значительной степени остаются загадкой. Команда обнаружила, что эта lncRNA важна для стимуляции перехода, напрямую взаимодействуя с LIN-28 и LEP-2 (геном C. elegans, похожим на MKRN3). Поскольку человеческие версии LEP-2 и LIN-28 вовлечены в определение времени полового созревания, новое исследование предполагает, что ещё не открытая lncRNA также может быть важна для этого процесса у людей.

В нервной системе круглого червя некоторые нейронные цепи у самцов претерпевают функциональный переход по мере достижения половой зрелости, что критически важно для формирования специфичного для взрослых особей поведения, необходимого для репродуктивного успеха. Хвост самца также меняет форму, что позволяет осуществлять брачное поведение. Исследователи обнаружили, что один и тот же путь контролирует как функциональное созревание этих цепей, так и форму хвоста. Черви с мутациями в гене lep-5 становятся физически зрелыми взрослыми особями, но их нервная система остаётся задержанной на ювенильной стадии, а хвосты сохраняют ювенильную форму.

Что касается изменений в поведении, этот путь регулирует время, действуя непосредственно в нервной системе, а не в ткани, посылающей ей сигналы времени. Более того, отдельные нейроны управляют своими собственными «часами» развития. Своевременный «импульс» активности lep-5 на ювенильной стадии приводит к инактивации LIN-28, позволяя переходу во взрослую стадию продолжиться.

Дальнейшее изучение выявленных механизмов поможет учёным лучше понять, как генетические и средовые сигналы регулируют переход во взрослую стадию у людей. Это исследование было поддержано грантами Национального института общих медицинских наук и Национального научного фонда, выделенными Портману и Фитчу.