Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Дж. Уэбб
«Ничто». Глава из книги


В. Мацарский
Леметр против Пифагора


Интервью О. Орловой с М. Труниным
Михаил Трунин: «Хорошее физическое образование — фундамент технологической культуры страны»


Д. Эверетт
«Не спи — кругом змеи!». Глава из книги


С. Агаханов
Логика логики


Т. Авсиевич
Примитив не приговор, или Physarum polycephalum разумный


Ю. Грановский
Загадка галактических масштабов


М. Тегмарк
«Наша математическая Вселенная». Глава из книги


Н. Резник
Неоднозначность стоп-кодонов


Интервью М. Гельфанда с В. Васильевым
Академик Виктор Васильев: «Если потратишь жизнь на математику, то ты ее не зря прожил»







Главная / Новости науки версия для печати

Метаморфоз у личинок червя Hydroides elegans запускается бактериями


Рис. 1. Многощетинковый трубчатый червь Hydroides elegans

Рис. 1. Многощетинковый трубчатый червь Hydroides elegans. А — колония взрослых особей; Б — свободноплавающая личинка. Фото с сайта scientificamerican.com

Развитие трубчатых многощетинковых червей проходит с метаморфозом, при котором свободноплавающая личинка превращается в сидячую взрослую особь. Обязательным условием протекания метаморфоза у этих животных является контакт с бактериями Pseudoalteromonas luteoviolacea, которые образуют биопленки на поверхностях подводных объектов. Исследователи из Америки и Швейцарии изучили молекулярные механизмы, обеспечивающие специфическое взаимодействие между червем и бактериями и опосредованную этим взаимодействием регуляцию метаморфоза. Оказалось, что в передаче сигнала задействованы гены бактерий, полученные ими в прошлом от бактериофагов. Контакт бактерий с личинкой червя запускает у нее сигнальные каскады MAPK, активирующие киназы p38 и Jnk, которые, в свою очередь, включают транскрипцию группы генов, участвующих в онтогенетических превращениях личиночных тканей и органов в процессе метаморфоза.

Гидроиды (Hydroides) — это один из родов трубчатых червей (семейство Серпулиды), класса многощетинковых червей. Их характерная особенность — сидячий образ жизни и формирование известковых трубок, в которых они прячутся от хищников. На голове эти черви несут красивые венчики жаберных лопастей, которые служат им одновременно и органами дыхания, и приспособлениями для улавливания частичек пищи. Один из их представителей — Hydroides elegans, широко распространенный вид в морях и океанах тропических и субтропических широт. Эти черви формируют массивные колонии на различных подводных объектах, в том числе на днищах морских судов, что представляет серьезную экономическую проблему. Вместе с тем они входят в число удобных модельных организмов для биологических исследований.

В своем развитии гидроиды проходят через стадию свободноплавающей личинки, которая должна найти подходящее место для прикрепления и дальнейшего превращения во взрослую сидячую особь. Выбор места важен, поскольку от него зависит, во-первых, обилие пищи и, во-вторых, наличие поблизости потенциального полового партнера для произведения потомства. Оказалось, что метаморфоз личинок у H. elegans инициируется бактериями Pseudoalteromonas luteoviolacea, формирующими биопленки на поверхностях подводных камней (а также подводных частей морских судов). Этот факт был обнаружен еще в 1999 году (см. C. R. C. Unabia, M. G. Hadfield, 1999. Role of bacteria in larval settlement and metamorphosis of the polychaete Hydroides elegans).

Обычно переходы между последовательными стадиями онтогенеза происходят под контролем внутренних регуляторных факторов, в частности гормонов и нейротрансмиттеров. Однако в рассматриваемом случае прохождение метаморфоза требует обязательного получения внешнего сигнала, производимого бактериями. Нужно отметить, что зависимость протекания ранних стадий онтогенеза от стимулов, производимых теми или иными бактериями или другими одноклеточными, была установлена для целого ряда животных — как первичноротых, так и вторичноротых, включая стрекающих (медуз, кораллов), морских губок, крабов, двустворчатых моллюсков, асцидий и морских ежей. При этом успешность индукции метаморфоза животного зависит не только от видового состава, но и от физиологического состояния контактирующих микроорганизмов. Все известные случаи такого рода касаются животных, у которых имеется чередование подвижных личиночных и малоподвижных взрослых стадий жизненного цикла. Молекулярные механизмы осуществляемой регуляции в большинстве случаев пока остаются неизученными.

Коллектив авторов обсуждаемой работы в последние несколько лет проводил исследования, нацеленные на расшифровку молекулярных механизмов, обеспечивающих контроль метаморфоза червя H. elegans бактериями P. luteoviolacea. Результаты исследований были представлены ими в двух статьях, первая из которых вышла в журнале Science в 2014 году, а вторая — в сентябре 2016 года в журнале PNAS.

Рис. 2. Жизненный цикл червя Hydroides elegans

Рис. 2. Жизненный цикл червя Hydroides elegans. Стрелка показывает этап, где критическую роль играет взаимодействие с бактериями. На этой стадии личинка теряет подвижность и переходит к превращению в ювенильную, а затем — во взрослую особь. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Полный жизненный цикл H. elegans показан на рис. 2, а на рис. 3 показаны последовательные стадии превращения свободноплавающей личинки в ювенильную особь. Этот процесс, занимающий несколько часов, в ускоренном виде можно посмотреть на видео из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в PNAS.

Рис. 3. Стадии метаморфоза личинки червя Hydroides elegans

Рис. 3. Стадии метаморфоза личинки червя Hydroides elegans. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Сначала нужно было выяснить, какие бактериальные гены необходимы для индукции метаморфоза червя. Для этого использовались штаммы бактерий с различными делециями. После экспериментального выявления делеций, нарушающих нормальное протекание метаморфоза, оставалось выяснить, какие гены располагаются в области данных делеций. Такой подход позволил обнаружить два кластера генов, необходимых для индукции метаморфоза червя.

Первая группа генов, названных авторами исследования MAC (metamorphosis-associated contractile structures), включает 4 открытых рамки считывания, кодирующих белки, гомологичные белкам хвостов сократимых фагов. В частности, ген macS кодирует белок сократимого чехла, гены macT1 и macT2 — белки внутреннего полого стержня, ген macB — белок базальной пластинки. Оказалось, что эти белки экспрессируются у нескольких процентов бактериальных клеток, формируя на их поверхности крупные комплексы с упорядоченной структурой, состоящие из сотен стержней, организованных наподобие фаговых хвостов. Электронная микрофотография и виртуальная модель этого комплекса показаны на рис. 4. Отсутствие (делеция) какого-либо гена из набора MAC приводит к отсутствию этих комплексов и к неспособности бактерий инициировать метаморфоз у H. elegans (рис. 4, В, Г).

Рис. 4. Электронная микрофотография и модель комплексов фагоподобных структур, формируемых на поверхности бактерий P. luteoviolacea

Рис. 4. А и Б — электронная микрофотография и модель комплексов фагоподобных структур, формируемых на поверхности бактерий P. luteoviolacea группой генов MAC. В и Г — результаты по определению влияния делеций различных генов или групп генов на способность бактерий инициировать метаморфоз у личинок червя. Правый столбик на графике Г показывает, что вторичное внесение в бактерии генов локуса JF50_12590–JF50_12615 после его делетирования полностью восстанавливает способность бактерий инициировать метаморфоз у червя. Изображения из обсуждаемых статей в Science (Б и В) и PNAS (А и Г)

Вторая область размером около 8 тысяч пар нуклеотидов, обозначенная авторами JF50_12590–JF50_12615, включает 6 белок-кодирующих генов. Их функции неизвестны, и гомологи у каких-либо других организмов не обнаружены. Эта группа генов находится на расстоянии около 12 тыс. пар оснований от группы MAC-генов. Бактерии, у которых этот участок делетирован, при наличии полного набора MAC-генов индуцировали прохождение первых двух этапов метаморфоза (включая утрату ресничек), но дальнейшие стадии метаморфоза отсутствовали (рис. 4, Г). Вместе с тем, отсутствие этой группы генов не препятствует формированию бактериями комплексов фагоподобных структур. Следовательно, они причастны к индукции метаморфоза каким-то иным образом. Возможно, продукты этих генов работают как усилители в обеспечении взаимодействия между клетками червя и комплексами из MAC-белков или являются шаперонами для этих белков. Проверкой этих гипотез авторы обещают заняться в дальнейших исследованиях. Таким образом, полноценный метаморфоз требует присутствия полного набора всех генов обоих вышеобозначенных локусов. На еще одном видео из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в PNAS можно увидеть прохождение метаморфоза личинок при добавлении бактерий дикого типа и отсутствие метаморфоза при добавлении бактерий, имеющих делеции некоторых необходимых генов.

И наконец, авторы изучили те изменения на уровне активности генов у червя, которые инициируются взаимодействием с бактериями и необходимы для протекания всех стадий метаморфоза. Транскрипцию генов в теле личинки определяли через 5 и через 30 минут после взаимодействия личинки с белками MAC и сравнивали полученные данные с образцами личинок, не взаимодействовавших с белками MAC. Через 30 минут после инициации метаморфоза (реснички у личинок к этому моменту уже были утрачены) в теле личинок оказалась повышена экспрессия нескольких десятков генов, среди которых гены белков, отвечающих за передачу сигналов; белков межклеточной адгезии; металлопротеиназ — белков, которые у всех животных обеспечивают перестройку тканей во время морфогенеза; белков, участвующих в обеспечении врожденного иммунитета, а также нескольких транскрипционных факторов, среди которых и классические мишени сигнальных каскадов MAPK (эти каскады образуются серией белков, активирующих друг друга путем присоединения фосфатных групп).

Авторы далее проверили, не связан ли оказываемый бактериями эффект как раз индукцией сигнальных каскадов MAPK. Для проверки этой гипотезы были проведены эксперименты с использованием специфичных ингибиторов некоторых киназ этих каскадов, а именно киназы ERK1/2 (ингибитор U0126), p38 (ингибитор SB203580) и Jnk (ингибитор SP600125). Результаты экспериментов, показанные на рис. 5, позволили установить, что метаморфоз, инициируемый взаимодействием червя с бактериальными факторами, опосредован активацией киназ p38 и Jnk. Эти киназы активируют транскрипционные факторы, которые далее обеспечивают активацию транскрипции генов, необходимых для прохождения всех стадий метаморфоза у червя.

Рис. 5. Компоненты классических каскадов MAPK

Рис. 5. А — компоненты классических каскадов MAPK. Показаны используемые специфичные ингибиторы некоторых компонентов. Б — изучение дозозависимого влияния ингибитора киназы Erk1/2 на осуществление метаморфоза (в данном случае никакого влияния не выявляется). В — изучение дозозависимого влияния ингибитора киназы p38 на осуществление метаморфоза (в данном случае эффект ярко выражен: метаморфоз нарушается с увеличением дозы ингибитора). Г — изучение дозозависимого влияния ингибитора киназы Jnk на осуществление метаморфоза (опять же, наблюдается хорошо выраженный эффект). Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Исследование явно ждет своего продолжения. Авторы так и не выяснили пока, каким образом обеспечивается активация метаморфоза белками MAC — имеет ли место простое взаимодействие с какими-то мембранными рецепторами клеток червя или эти фагоподобные структуры работают именно как шприцы (как это делают фаги), вводя какие-то индукторные молекулы в цитоплазму клеток личинки червя. Не выяснена функция еще 6 необходимых бактериальных белков. Также интересна эволюционная предыстория сложившихся взаимоотношений между бактериями и трубчатым червем. В чем заключается выгода каждого вида от такого союза? Насколько универсальны подобные схемы межвидового взаимодействия и их механизмы?

Источники:
1) N. J. Shikuma et al. Marine Tubeworm Metamorphosis Induced by Arrays of Bacterial Phage Tail–Like Structures // Science. 2014. DOI: 10.1126/science.1246794.
2) N. J. Shikuma et al. Stepwise metamorphosis of the tubeworm Hydroides elegans is mediated by a bacterial inducer and MAPK signaling // PNAS. 2016. DOI: 10.1073/pnas.1603142113.

Татьяна Романовская


Комментировать



Последние новости: Биология развитияГенетикаМолекулярная биологияЭволюцияТатьяна Романовская

14.02
Кембрийское ископаемое Saccorhytus поместили в основание эволюционной линии вторичноротых
13.02
Эволюционные последствия генных дупликаций удалось оценить количественно
10.02
Межгрупповой отбор формирует социум, а внутригрупповой его поддерживает
07.02
Эволюция клювов демонстрирует ход адаптивной радиации у птиц
30.01
Генетики поняли, как вернуть помидорам вкус и запах, отнятые селекционерами
24.01
Гены, способствующие получению хорошего образования, отсеиваются отбором
19.01
Чтобы ослабить атаку Т-клеток, опухоль меняет набор неоантигенов
17.01
Ученые разгадали тайну хиолитов — загадочных палеозойских животных
16.01
Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот
05.01
Вставка генома вольбахии может приводить к развитию новой половой хромосомы у ее хозяев

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2017 II, I  2016 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Индикатор», «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия