Если бы не пандемия COVID-19, возможно, не было бы сделано важное открытие о развитии нематод — удлиненных цилиндрических червей.
Поскольку большинство занятий и собраний в университетах и школах в 2020–2021 годах перешли в онлайн-режим, исследовательская группа, состоящая из мужа и жены, из Калифорнийского университета в Риверсайде, наконец, нашла время, чтобы изучить вопрос, над которым они долго думали. : Как нематоды отдаленно связаны с наиболее изученными, Caenorhabditis elegansделают свой кишечник, учитывая, что гены, ответственные за указание кишечника у С. Элеганс отсутствуют у других нематод?
«Пандемия высвободила у нас время, чтобы подумать о том, какие исследования мы хотели бы продолжить, когда пандемия ослабнет», — сказал Моррис Мадуро, профессор молекулярной, клеточной и системной биологии и соответствующий автор исследования, опубликованного в журнале «Развитие». , журнал. «К счастью, эксперимент, который мы провели, дал неожиданный результат. Оказывается, более простая генная сеть, по-видимому, участвует в спецификации кишечника у нематод, связанных с С. Элеганс. Родовой вид С. Элеганс похоже, продублировали и расширили эту более простую генную сеть, чтобы создать более сложную, и именно эту сложную сеть мы изучали все это время в С. Элеганс.”
Отчасти из-за того, как быстро он развивается, С. Элеганс является одним из наиболее широко используемых модельных организмов в биологических дисциплинах, особенно при изучении того, как гены управляют развитием. Около миллиметра в длину, С. Элеганс живет как падальщик в почве, где питается микробами, например бактериями, найденными на гнилой пище. Нематода бывает самцом или гермафродитом (с мужскими и женскими репродуктивными органами) и живет свободно. Это не паразит человека и не растений, он не заражает и не вредит ни одному из известных ученым организмов.
Мадуро, в настоящее время заведующий кафедрой молекулярной, клеточной и системной биологии, изучал С. Элеганс и других нематод уже более двух десятилетий. Он объяснил, что нематоды имеют простую анатомию. Пищеварительная система представляет собой единый орган, кишечник, и в С. Элеганс он сделан из потомков одной клетки раннего эмбриона, называемой Е.
«Около 20 лет назад мы и другие ученые обнаружили, что генная сеть, благодаря которой E-клетка становится предшественником кишечника, включает несколько генов, связанных с семейством факторов транскрипции, называемых факторами GATA», — сказал Мадуро.
С использованием С. ЭлегансЛаборатория Мадуро долгое время изучала, как факторы транскрипции, представляющие собой белки, активирующие экспрессию генов, действуют на ранних эмбрионах животных.
«Факторы транскрипции работают в так называемых генных сетях, которые важны в биологии не только для развития растений и животных, но и для того, как организмы реагируют на изменения в окружающей среде, и даже для того, как раковые клетки меняют свои свойства внутри опухолей», — Мадуро. сказал.
Он объяснил, что белки в живых организмах можно рассматривать как часть генетического инструментария.
«Представьте себе ящик с такими инструментами, как молотки, отвертки и дрели», — сказал он. «Вы можете использовать одни и те же инструменты, чтобы сделать книжную полку или построить дом. Хотя книжная полка выглядит иначе, чем дом, их можно построить с помощью одного и того же набора инструментов. Точно так же формы жизни находят различные способы использования белков, генетических инструментов, которые продукты генов. Однако со временем активируются разные гены, заставляющие клетки выполнять определенные функции у животного или растения. В результате генные сети включают разные способы использования одних и тех же типов транскрипционных факторов».
Мадуро и его жена Джина Бройтман-Мадуро обнаружили, что гены, которые они изучали в течение многих лет в С. Элеганс в котором указывалось, что кишечник отсутствовал у большинства других нематод, что заставило их задуматься о том, как у этих нематод образуется кишечник.
«В конце 2021 года, когда пандемия пошла на убыль, мы решили посмотреть на дальнего родственника С. Элегансназывается С. ангария, чтобы увидеть, сможем ли мы выяснить, как он делает свой кишечник, — сказал Мадуро. — Это был долгосрочный эксперимент, поскольку мы не ожидали, что это удастся выяснить. Однако всего за несколько месяцев мы обнаружили, что многие факторы GATA в С. Элеганс были лишь одним из факторов С. ангария. Этот единственный фактор, ELT-3, фактически существует в С. Элеганс но у него нет той же функции».
В С. Элеганс Известно, что фактор ELT-3 участвует в реакциях на стресс, и его функция заменяется функцией двух других генов, END-1 и END-3. Так же, как в С. ангария при удалении ELT-3 кишечник в С. Элеганс не может образоваться, если оба END-1 и END-3 отсутствуют.
«По сути, мы рассматриваем биологическую систему, которая сохраняет более простую сеть из более раннего периода эволюции — вероятно, 20–50 миллионов лет назад — и мы можем сравнить ее с более сложной версией, которая развилась из нее», — сказал Мадуро. . «Заглянув внутрь клеток, мы можем понять, как механизм развития менялся с течением времени. Это как если бы у нас была машина времени, чтобы посмотреть на предков С. Элеганс и понять, как эволюция привела к тому, что одна версия генной сети изменилась на другую без существенного изменения внешнего вида червя. Изменения являются внутренними и происходят «под капотом» и дают исключительную возможность понять, как природа находит разные пути для достижения одной и той же конечной точки».
Чтобы убедиться, что они на правильном пути, Мадуро и Бройтман-Мадуро смогли заставить С. ангария Белок ELT-3 экспрессируется в нужное время и в нужном месте С. Элеганс. Они показали, что это может указывать на кишечник.
«Когда люди думают о генах, претерпевающих изменения в ходе эволюции, они думают о растении или животном, делающем что-то другое, то есть гены меняются так, что животное становится больше, или быстрее, или может делать что-то, чего не могут другие виды, например сопротивляться некоторым патогенам или расти в более суровых условиях окружающей среды», — сказал Бройтман-Мадуро, первый автор исследовательской работы и младший специалист в лаборатории Мадуро. «Здесь изменение в генной сети, по-видимому, не делает ничего принципиально другого: анатомия и развитие отдаленно родственных видов, С. ангарияпрактически неотличимы от С. Элеганс.”
Мадуро и Бройтман-Мадуро сейчас изучают вопрос, почему, по сравнению с другими нематодами, С. Элеганс потребуется более сложная генная сеть, чтобы определить кишечник.
«Одна из наших идей заключается в том, что новая сеть позволяет С. Элеганс развиваются быстрее, и мы пытаемся изучить эту идею более подробно», — сказал Мадуро. «Теперь, когда мы знаем, что определяет кишечник у этих отдаленно родственных нематод, мы планируем исследовать, сохраняется ли этот механизм еще более широко, изучая более дальний родственный вид, Мирный священник.”
К Мадуро и Бройтман-Мадуро к исследованию присоединились Симо Сан и Тайсей Кикути из Токийского университета, Япония, которые предоставили обновленную последовательность генома для С. ангария используется в исследовании.
