Ученые из Венского университета обнаружили, что морские анемоны используют тот же молекулярный механизм, что и более сложные животные, чтобы сформировать ось «спина-брюхо». Этот механизм, называемый „BMP-шаттлинг“, помогает клеткам во время развития ориентироваться в пространстве за счет градиента сигнальных молекул. Раньше считалось, что такая система появилась позже, но теперь ясно — она древняя и, вероятно, досталась и анемонам, и человеку от общего предка.

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

Большинство животных — двусторонне-симметричные: у них есть голова и хвост, спина и брюхо, левая и правая стороны. Так устроены все билатерии — от людей до мух. А вот стрекающие, к которым относятся медузы и анемоны, долгое время называли радиально-симметричными. Но это не совсем так. Медузы действительно радиальны, а вот анемоны — нет. Их зародыши сначала выстраивают ось по генам, а потом и тело становится билатеральным. Это заставило ученых задуматься: может, двусторонняя симметрия появилась еще у общего предка билатерий и стрекающих?

Как клетки понимают, где у них что

У билатерий ось «спина-брюхо» формируется благодаря сигнальной системе BMP и ее ингибитору — хордину. BMP — это молекулярные маяки, которые говорят клеткам, во что им превращаться. Хордин блокирует BMP, но в некоторых животных (например, лягушках) он еще и переносит его в другие части зародыша, создавая градиент. Клетки считывают этот градиент и развиваются по-разному: где BMP мало — растет нервная система, где много — кожа брюха.

Чтобы проверить, работает ли так же хордин у анемонов, ученые отключили его у зародышей Nematostella vectensis. Без хордина BMP-сигналинг пропал, и ось не сформировалась. Потом хордин вернули, но в одну точку зародыша. Сигналинг восстановился, но почему? Либо хордин просто блокировал BMP локально, либо переносил его. Чтобы это выяснить, использовали две версии хордина: одну пришили к мембране (неподвижная), другую оставили свободной. Оказалось, только свободный хордин смог восстановить BMP-сигнализацию на другом конце зародыша — значит, он работает как шаттл.

Что это меняет

Если и анемоны, и билатерии используют BMP-шаттлинг, значит, этот механизм древний — ему больше 600 млн лет.

Не все билатерии применяют хордин для переноса BMP — у лягушек есть, а у рыб нет. Но раз анемоны тоже так делают, это намекает, что система очень старая, — говорит Дэвид Мёрсдорф, ведущий автор исследования.

BMP-шаттлинг — это процесс, при котором белок-ингибитор (например, хордин) связывает сигнальную молекулу BMP, переносит ее в другую часть зародыша и там отпускает, создавая градиент концентрации. Клетки «читают» этот градиент и понимают, в какую ткань превращаться.

Григорий Генихович, руководитель группы, добавляет:

Мы не можем точно сказать, был ли общий предок билатерий и стрекающих двусторонне-симметричным. Но если да, то он, скорее всего, использовал хордин для создания оси. Наше исследование это подтверждает.

Это фундаментальная работа, но у нее есть практические перспективы:

• Регенеративная медицина — понимание древних механизмов развития поможет управлять стволовыми клетками.
• Эволюционная биология — теперь проще реконструировать, как выглядели первые животные.
• Биоинженерия — если BMP-градиенты так универсальны, их можно использовать для создания искусственных тканей.

Отметим, что исследование проводилось на одном виде анемонов (Nematostella), а среди стрекающих есть и радиальные формы (медузы). Было бы интересно проверить, есть ли BMP-шаттлинг у них — это укрепило бы или опровергло гипотезу о древнем происхождении механизма.

Ранее ученые открыли на острове Флорида-Кис улиток лимонного цвета.