28 ФЕВРАЛЯ 2023 Г.
Ученые демонстрируют связь между временем активации десятков генов в эмбрионе и тем, как развивались жизненные циклы животных.
На протяжении более века биологи были озадачены разнообразием жизненных циклов, демонстрируемых различными видами животных. В то время как некоторые виды, включая людей и большинство позвоночных, развиваются непосредственно в полностью сформированную, но уменьшенную версию взрослой особи, другие следуют увлекательному процессу метаморфоза, который включает появление промежуточных форм, известных как личинки, которые в конечном итоге превращаются во взрослых особей.
Тем не менее, понимание исследователями того, почему существуют личинки и как они возникли, было ограниченным. Что еще более важно, в крупномасштабных сравнительных исследованиях, посвященных этой проблеме, ранее не использовались современные методы, основанные на секвенировании генетической информации животного - генома — и выяснении того, как организм использует эту информацию во время роста. До сих пор.
В исследовании, проведенном командой из Лондонского университета королевы Марии (QMUL), опубликованном в престижном журнале Nature, исследователи впервые раскрыли механизм, который, вероятно, объясняет, как эмбрионы формируют либо личинку, либо миниатюрную версию взрослой особи.
В своей статье они доказывают, что время активации основных генов, участвующих в эмбриогенезе — превращении оплодотворенной яйцеклетки в организм — коррелирует с наличием или отсутствием личиночной стадии и с тем, питается ли личинка из окружающей среды или полагается на питание, которое мать отложила в яйце.
Франсиско М. Мартин-Самора, кандидат наук в университете Королевы Марии и один из первых авторов исследования, сказал: “Впечатляет видеть, как эволюция сформировала способ, которым эмбрионы животных “сообщают время” для активации важных групп генов раньше или позже в развитии. Предположим, личиночная стадия больше не является необходимой для вашего выживания. В этом случае может быть эволюционно выгодно, например, активировать гены для формирования туловища раньше и вместо этого развиваться прямо во взрослую особь ”.
В этом новом исследовании использовались самые современные подходы к расшифровке генетической информации, активности и регуляции у трех видов морских беспозвоночных червей, называемых кольчатыми червями. Они объединили их с общедоступными наборами данных по другим видам в крупномасштабном исследовании, включающем более 600 наборов данных о более чем 60 видах, разделенных более чем 500 миллионами лет эволюции. “Только объединив экспериментальные наборы данных, сгенерированные в лаборатории, и систематический компьютерный анализ, мы смогли разгадать эту новую неоткрытую биологию”, - сказал доктор Фердинанд Марлетаз, главный сотрудник исследования из Университетского колледжа Лондона.
Доктор Янь Лян, постдокторант из Queen Mary и один из первых авторов работы, сказал: “Хотя методы существуют уже несколько лет, ни одна команда не использовала их для этой цели. Созданные нами наборы данных и разработанные нами методологии станут чрезвычайно мощным ресурсом для других исследователей ”.
Доктор Чема Мартин-Дуран, старший преподаватель биологии организмов в Queen Mary и старший автор этого исследования, сказал: “Биология развития в основном фокусируется на мышах, мухах и других хорошо зарекомендовавших себя видах, которые мы знаем как модельные организмы. Наше исследование демонстрирует, что увлекательная биология часто упускаемых из виду немодельных видов имеет решающее значение для понимания того, как работает развитие животных и как оно развивалось ”.
Первостепенное значение имеют гены, участвующие в формировании туловища — области тела, которая следует за головой и тянется до хвоста. Некоторые виды образуют личинки практически без туловища, известные как “головные личинки”, и, возможно, они присутствовали еще у предка всех животных с головой и хвостом. Прямое развитие и формирование маленькой взрослой особи прямо из эмбриогенеза развились бы позже у многих групп животных, таких как мы и большинство позвоночных, поскольку гены, формирующие туловище, активируются раньше в эмбриогенезе, и личиночные черты постепенно теряются.
“Мы надеемся, что другие исследователи в этой области продолжат изучение захватывающей темы эволюции жизненных циклов животных и предоставят дополнительные доказательства выдвинутой нами гипотезы”, - сказал доктор Андреас Хейнол, профессор Йенского университета имени Фридриха Шиллера, Германия, и сотрудник команды.
Ссылка: “Функциональная геномика кольчатых червей раскрывает происхождение двусторонних жизненных циклов” Франсиско М. Мартин-Самора, Ян Лян, Керо Гайнс, Аллан М. Каррильо-Балтодано, Билли Э. Дэвис, Рори Д. Доннеллан, Йонкай Тан, Джакомо Моджоли, Океан Седре, Мартин Тран, Кейт Мортимер, Николас М. Ласкомб,Андреас Хейнол, Фердинанд Марлетас и Хосе М. Мартин-Дуран, 25 января 2023 года, Природа.
DOI: 10.1038/s41586-022-05636-7