Почему правая рука такая же длинная, как левая? Как сердце вырастает размером ровно таким, чтобы поместиться в грудной клетке, а не большим? Почему голова у взрослого "меньше" пропорционально размеру тела, чем у ребенка?
Вопрос о том, как регулируется и координируется рост и размер животных и насекомых, интересует целые поколения биологов. Однако основные механизмы все еще остаются неясными. В последние годы мощь и универсальность генетики в сочетании с некоторыми творческими экспериментами исследователей плодовой мухи открыли новые идеи по контролю роста животных. В частности, несколько недавних отчетов исследований с использованием в качестве модели Drosophila показали, что сигнализация между органами может влиять как на темпы роста организма Дрозофилы, так и на конечный размер тела. Эти выводы также могут дать представление о человеческом росте.
По мере их развития Дрозофила проходит три основные стадии - эмбрион, личинка и куколка, прежде, чем она появится во взрослом состоянии плодовой мухи. Практически весь рост организма происходит в личиночной стадии, во время которой масса мухи увеличивается примерно в 200 раз скоординированным образом. Это увеличение массы зависит от наличия пищевого белка. В дикой природе этот белок поступает в виде дрожжей, которые ферментируют сахар в гниющих фруктах; в лаборатории личинки питаются дрожжевой мукой. Без доступа к достаточному количеству белка личиночная муха на ранней стадии развития замедляет темпы своего роста и развития, а полное голодание приводит к остановке роста.
Большая часть этого, зависящего от питательных веществ, роста обусловлена увеличением размера клеток таких органов, как мышцы, жир, эпидермис и кишечник. Среди этих тканей расположены имагинальные диски, содержащие клетки-предшественники, которые в конечном итоге способствуют образованию взрослых структур, включая крылья, ноги, глаза, грудную клетку и антенны. Коммуникация между этими различными личиночными тканями становится важным регулятором общей скорости роста и размера личинок и гарантирует, что рост каждого органа будет пропорционален росту остальных.
Несмотря на то, что у человека отсутствуют имагинальные диски, развитие конечностей и органов происходит аналогичным образом. Тем не менее, сигнальные системы гораздо сложнее, Дрозофила обеспечивает идеальную систему для изучения перекрестных помех между развивающимися органами в общем контроле тканей и размеров тела.
Размер сигнала
Известно, что по крайней мере две ключевые эндокринные системы координируют рост и развитие плодовой мухи: Инсулиноподобные пептиды дрозофилы, известные как DILPs, и экдизон - стероидный гормон, вызывающий линьку. Дрозофила имеет восемь различных инсулиноподобных пептидов, выраженных в различных временных и пространственных структурах в процессе развития личинок и кукол. В богатых питательными веществами условиях дискретные секреторные клетки мозга экспрессируют и выделяют подгруппу этих пептидов, которые затем циркулируют по всей гемолимфе, разновидности крови мухи. Пептиды вызывают рост в тканях-мишенях, связываясь с рецепторами инсулина на клеточной поверхности и активируя консервативный внутриклеточный путь, который приводит к росту клеток и тканей. Человеческий эквивалент DILP - это инсулиноподобные факторы роста (IGF), которые регулируют функции, аналогичные функциям у мух. Дефекты IGF и их нижележащие внутриклеточные сигнальные пути приводят к нарушениям роста у людей, таким как гигантизм, карликовость и доброкачественные и злокачественные опухоли.
Подобно тому, как стероидные гормоны человека (тестостерон и эстроген) управляют процессами на таких стадиях развития, как половое созревание, импульсы экдизона, выделяемого из желез ниже головы насекомого, вызывают переходы личинок, на следующую стадию развития - окукливания. Как и инсулиноподобные пептиды, производство экдизона контролируется пищевыми питательными веществами. В богатых питательными веществами условиях вырабатываются импульсы экдизона и быстро развиваются личинки. Однако при дефиците питательных веществ производство экдизона сокращается, а его выработка откладывается на более поздний срок. Вместе инсулиноподобные пептиды дрозофилы и экдизон регулируют размер тела, контролируя как скорость, так и продолжительность роста личинок. Недавние исследования начали раскрывать сложную связь между органами, которые лежат в основе этого контроля.
Инсулиноподобные пептиды и экдизон Drosophila вместе регулируют размер тела, контролируя скорость и продолжительность роста личинок. Недавние исследования начали раскрывать сложную связь между органами, лежащими в основе этого контроля.
От жира к мозгу
Непрозрачная жировая ткань, расположенная по всей длине личинки, является ключевым органом, чувствительным к питательным веществам, который действует, как буфер для изменяющихся питательных условий и энергетических потребностей развивающихся внутренних органов. Например, когда личинки лишены белка питания, жировые клетки начинают разлагать собственные органеллы в результате аутофагии, чтобы обеспечить источник аминокислот для синтеза белка, необходимого для выживания. Жировые клетки также изменяют свой липидный метаболизм, который необходим для ремобилизации дефицитных питательных веществ.
Коммуникация между различными личиночными тканями становится важным регулятором общей скорости роста и размера личинок и гарантирует, что рост каждого органа будет пропорционален росту остальных.
Жировая ткань функционирует как важный эндокринный орган, который может сигнализировать о состоянии питания развивающихся отдаленных тканей мухи. За последнее десятилетие серия исследований, проведенных в лаборатории Пьера Леопольда в Институте биологии Valrose в Ницце, Франция, показала, что у личинки мухи, когда уровень белка в пище высок, жировое тело обнаруживает свободные аминокислоты и активирует протеинкиназу, называемую мишенью рапамицина (TOR) в жировых клетках. Во всех эукариотах доступность внеклеточных питательных веществ, таких как аминокислоты и сахара, может активировать консервативный путь TOR, который вызывает метаболические изменения, способствующие росту и пролиферации этой клетки. У личинок Drosophila, однако, активация TOR в жировых клетках также приводит к выделению инсулиноподобных пептидов из нейросекреторных клеток мозга. Однако исследователи еще не нашли сигнала, связывающего внутриклеточную активацию TOR в жировых клетках с выделением гормонов в мозгу.
Мало того, что инсулиноподобные пептиды стимулируют рост по всему телу, эти гормоны также могут действовать локально на ткани мозга. Лаборатории Алекса Гулда в Национальном институте медицинских исследований Национального института медицинских исследований и Андреа Бранд в Институте Гурдона независимо друг от друга опубликовали отчеты, показывающие, что инсулиноподобные пептиды регулируют пролиферацию стволовых клеток в головном мозге. После того, как вылупились яйца и личинка начинает питаться, нервные стволовые клетки в мозге начинают размножаться. Стволовые клетки необходимы для нормального развития мозга, а также реагируют на сигналы от жира. Лаборатории Гулда и Брэнда показали, что этот эффект опосредован активацией TOR в жировых клетках, что стимулирует высвобождение инсулиноподобного пептида 6 дрозофилы из глиальных клеток мозга. Этот пептид действует локально, вызывая пролиферацию нервных стволовых клеток через сигнальный путь инсулинового рецептора / PI3 киназы.
Последние данные указывают на интригующее предположение о том, что кишечные бактерии действуют как еще один "орган", который может сигнализировать личиночным тканям, способствуя как росту, так и развитию организма.