Развитие эмбриона актинии

На этой микрофотографии — эмбрион актинии Nematostella vectensis, проходящий стадию гаструлы. Актинии, или морские анемоны, — это отряд морских стрекающих (книдарий) из класса коралловых полипов. Сиреневым цветом окрашен активный белок ß-катенин. Видно, что белок экспрессируется во внешнем слое тела эмбриона — эктодерме, а во внутреннем слое — энтомезодерме (см. Endomesoderm) — экспрессия практически отсутствует.

Изображение получено методом иммунофлюоресценции: в эмбрионы актинии вводили антитела (взятые у кролика), специфичные к ß-катенину как к антигену. Когда антитело вступало в реакцию с антигеном, расположенным на поверхности клеток, активировался флюоресцентный маркер, который ярко окрашивал ткань — что мы и наблюдаем на снимках.

У двусторонне-симметричных животных (билатерий), от червей до млекопитающих, все ткани и органы тела в процессе эмбриогенеза развиваются из трех зародышевых листков — эктодермы (из нее образуются покровы тела и нервная система), энтодермы (ЖКТ и другие внутренние органы) и мезодермы (мышцы, кости и кровеносная система). У другой большой группы животных, книдарий (к ним относятся, в частности, коралловые полипы и гидроидные), отличающихся радиально-симметричным строением тела, таких лепестков всего два — эктодерма и энтомезодерма (которая имеет комбинированную функцию).

Эта разница впервые проявляется во время эмбрионального развития, на стадии гаструлы. До этого эмбрион представляет собой однослойный шарик (бластулу) из клеток, появившихся в результате деления зиготы. При гаструляции на вегетативном полюсе этого шарика слой клеток впячивается внутрь (этот процесс называется инвагинацией). При этом образуется отверстие — первичный рот (бластопор), а зародыш становится двухслойным. У билатерий после этого часть клеток мигрирует вглубь тела и образует самостоятельную мезодерму. У книдарий же такого не происходит, и организм остается двухслойным, несмотря на то что в их геноме есть все гены, необходимые для формирования третьего слоя.

А — гаструляция и последующее образование зародышевых листков, органов и тканей у актинии N. vectensis. Бледно-розовым цветом показана хаотичная «разбросанность» клеток энтомезодермы (Endomesoderm). B — микрофотографии иммунофлюоресцентно окрашенных эмбрионов N. vectensis. Видна активность ß-катенина (сиреневый) в эктодерме и отсутствие таковой в энтомезодерме. Изображение из статьи M. Salinas-Saavedra et al., 2018. Germ layer-specific regulation of cell polarity and adhesion gives insight into the evolution of mesoderm

Ученые давно пытаются понять, почему так получается. Недавно удалось показать, что ключевую роль в этом процессе играют PAR-белки. У билатерий они регулируют соединение клеток друг с другом (адгезию) и их ориентацию в пространстве на стадии гаструлы как в эктодерме, так и в энтодерме. При этом непосредственно за адгезию клеток отвечает белок ß-катенин, который PAR-белки активируют, направляя его из глубины цитоплазмы к клеточному кортексу (см. Cell cortex) — слою белков на внутренней поверхности клеточной мембраны, который регулирует ее поведение и функции белков внешнего слоя.

У книдарий эти процессы происходят только в эктодерме. При гаструляции во всем теле эмбриона N. vectensis (в отличие от дрозофил — излюбленного модельного животного из числа билатерий) PAR-белки расщепляются, но в эктодерме они затем синтезируются вновь, под управлением специальных PAR-генов. В энтомезодерме же этого не происходит, потому что там PAR-гены подавляются snail-генами. (У билатерий snail-гены активируются только в мезодерме, уже после ее формирования.) В тонкостях взаимодействия между PAR- и snail-генами ученые разобрались с помощью метода точечного редактирования генома CRISPR/Cas9 (см. Систему CRISPR-CAS9 удалось заснять в действии, «Элементы», 06.12.2017), «вырезая» те или иные гены и наблюдая, как после этого идет развитие эмбриона.

В результате у клеток энтомезодермы ослабевают межклеточные контакты и нарушается пространственная ориентация. По-видимому, именно это препятствует согласованной миграции клеток и образованию самостоятельной мезодермы.

Исследование закономерностей развития разных слоев тела у актиний может прояснить работу аналогичных механизмов у людей. Сбои в дифференциации зародышевых листков могут вести к нарушениям эмбрионального развития, в том числе тяжелых. Кроме того, экспрессия β-катенина меняется при наличии злокачественной опухоли (например, при раке толстой кишки, предстательной или щитовидной железы).

Фото с сайта bpod.mrc.ac.uk.

Олег Соколенко