Как животные достигают правильного размера
Даже небольшие различия в скорости роста животных во время развития могут суммироваться в значительные различия в размере взрослой особи. Тем не менее, взрослые особи одного вида обычно почти идентичны по размеру. Бенджамин Товбин, постдок в лаборатории Гроссханса, а ныне сотрудник Бернского университета, обнаружил механизм, способствующий такой однородности размера, без непосредственного его измерения. Его исследование на C. elegans показало, что скорость роста определяет скорость генетических часов, отсчитывающих время развития.
Особи одного вида, как правило, вырастают до одинакового размера. Эта однородность поразительна, поскольку внутренняя случайность процессов развития и условий окружающей среды создает существенные различия в скорости роста. Более того, поскольку рост животных часто носит экспоненциальный характер, даже небольшие различия могут усиливаться до больших различий в размере. Как же животные тем не менее достигают правильного размера?
Хотя контроль размера широко изучался у одноклеточных микроорганизмов, о том, как многоклеточные животные контролируют свой размер, известно мало. Бенджамин Товбин, ныне доцент Бернского университета, был экспертом по контролю размера у бактерий, когда присоединился к FMI в качестве постдока в группе Хельге Гроссханса. Он понял, что новая технология визуализации в реальном времени, которую лаборатория Гроссханса использовала для записи развития круглого червя C. elegans, открывает новые возможности для изучения контроля размера у животных.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, Товбин использовал покадровую микроскопию, чтобы записать развитие сотен особей C. elegans от вылупления до взрослой стадии. Он обнаружил механизм, обеспечивающий однородность размера тела у разных особей. Этот механизм, по-видимому, не измеряет размер как таковой. Вместо этого он оценивает, насколько быстро растет конкретная особь, и соответствующим образом корректирует время, через которое она станет взрослой. Таким образом, медленно растущая особь достигает того же размера, что и быстро растущая, потому что ей дается больше времени на рост.
Товбин показал, что этот механизм реализуется за счет связи скорости роста с частотой так называемого генетического осциллятора. Лаборатория Гроссханса ранее показала, что этот осциллятор функционирует как часы развития. После четырех колебаний ювенильное развитие заканчивается, и животные становятся взрослыми. Зная это, Товбин использовал молекулярные инструменты, чтобы ускорить эти часы. Как и предсказывала его математическая модель, животные с более быстрыми часами становились взрослыми быстрее и были меньше по размеру.
«Математическая модель также показывает, что обратная зависимость между скоростью роста и частотой колебаний не является специфичной для червей, а представляет собой общее свойство генетических осцилляторов», — говорит Товбин, последний автор статьи (первый автор — Клемент Стояновски, менеджер его нынешней лаборатории). «Связь роста и развития, обнаруженная у червя, может лежать в основе многих других случаев биологического контроля размера», — добавляет он. Например, развитие позвоночника у позвоночных также включает генетический осциллятор, чья связь с ростом может обеспечивать правильный размер и количество позвонков.