Развивающиеся часы с функцией контрольной точки

Группа Хельге Гроссханс охарактеризовала "осциллятор C. elegans" — более 3700 генов, ритмично экспрессирующихся во время личиночного развития нематоды C. elegans. Они продемонстрировали связь осциллятора с линькой и получили представление о том, как он устроен. Их результаты позволяют предположить, что осциллятор функционирует как развивающиеся часы с функцией контрольной точки развития.

Колебания экспрессии генов — ритмическая активность генов — встречаются во многих биологических системах. Они хорошо подходят для отсчёта времени, выступая в роли "молекулярных часов", контролирующих повторяющиеся процессы. Например, колебания экспрессии генов лежат в основе циркадных ритмов, регулирующих суточный цикл сна и бодрствования у животных.

"Развивающиеся часы" аналогичным образом используют колебания экспрессии генов для синхронизации процессов в развитии тканей и органов. Хельге Гроссханс и его исследовательская группа подробно изучали отсчёт времени в развитии круглого червя C. elegans. В 2014 году группа показала, что транскрипция тысяч генов подвержена колебаниям во время личиночного развития этого червя, а период колебаний примерно совпадал с продолжительностью одной личиночной стадии.

Милу Миус и Янник Хаузер, два аспиранта из группы Гроссханс, исследовали это явление более подробно, чтобы понять архитектуру и функцию "осциллятора C. elegans". Их исследование, поддержанное грантом ERC Advanced Grant, недавно опубликовано в журнале Molecular Systems Biology.

Они провели масштабные эксперименты по мониторингу экспрессии генов на протяжении всего периода постэмбрионального развития C. elegans и во взрослом состоянии. Это позволило им идентифицировать более 3700 ритмично экспрессирующихся генов — около четверти всех экспрессируемых генов. Они выявили четыре цикла экспрессии для осциллирующих генов, отражающие прохождение четырёх личиночных стадий. Действительно, они обнаружили, что колебания происходят в тесной синхронности с циклом линьки — процессом синтеза новой кутикулы и сбрасывания старой, который происходит в конце каждой личиночной стадии. Исследователи также наблюдали, что колебания начинаются у эмбрионов, временно останавливаются после вылупления и в ответ на внешние воздействия (например, когда личинка лишается пищи) и прекращаются у взрослых особей.

"Нашими экспериментами мы чётко продемонстрировали связь осциллятора с линькой, — говорит Милу Миус, один из первых авторов исследования. — Мы также показали, что осциллятор можно остановить, но только в определённые моменты времени. Это те моменты, когда червь "проверяет", подходят ли условия для продолжения развития на протяжении ещё одного полного колебания, или лучше остановиться и подождать, например, пока снова не появится пища. Другими словами, осциллятор обладает функцией контрольной точки развития".

Со-первый автор Янник Хаузер добавляет: "Было действительно удивительно осознать, что мы можем объяснить, как эта функция контрольной точки возникает из специфической архитектуры осциллятора, опираясь на теорию нелинейной динамики. Это теперь позволит нам разрабатывать математические модели для представления и дальнейшего изучения осциллятора".

Из этого ясно, что осциллятор C. elegans — это развивающиеся часы, которые помогают червю принимать правильные решения относительно времени своего развития.