У ембріональному розвитку однією з ключових подій є момент, коли зародок порушує симетрію та визначає, де буде голова, а де хвіст. Класичним об’єктом для вивчення цього процесу стала плодова мушка Drosophila melanogaster, але нове дослідження, описане на ресурсі Newswise Science News, показує, що інші види мух розв’язують те саме завдання за допомогою зовсім інших генів.
У дрозофіли за формування передньо-задньої осі тіла відповідає унікальний ген bicoid. Він є лише в частини видів мух. У 2019 році Урс Шмідт-Отт (Urs Schmidt-Ott) з Чиказького університету з колегами виявили три неспоріднені, але широко поширені гени, які взяли на себе цю ж функцію в інших мух. Це яскравий приклад так званого «дрейфу систем розвитку», коли генетичні мережі змінюються, але кінцевий результат — наприклад, вісь «голова–хвіст» — зберігається.
Як «мухи-метелики» задають вісь тіла
Після попередніх знахідок команда Шмідта-Отта розробила нові генетичні інструменти, щоб дослідити ці гени в різних видів мух. Їх цікавило, чи працюють вони подібно до bicoid, чи використовують інший механізм, і як така «заміна» впливає на подальшу роботу ембріональної генетичної мережі.
У новій роботі, опублікованій в журналі PLOS Biology, вчені зосередилися на гені odd-paired у так званої «мухи-метелика» Clogmia albipunctata. Це звичайна «каналізаційна» муха, яку можна побачити біля вологих і теплих місць — стічних отворів, квіткових горщиків чи в задушливих туалетах. Попри непримітний вигляд, саме цей вид допоміг зрозуміти, як у ході еволюції виникають нові «детермінанти осі», подібні за роллю до гена bicoid.
У дрозофіли та в «мухи-метелика» ген odd-paired у зародку відповідає за те, щоб сформувалася правильна кількість сегментів тіла під час розвитку личинки. Однак у Clogmia albipunctata цей ген має ще одну роль: самки активують його раніше, ще на етапі формування яйця. У цей час утворюється інша транскриптна ізоформа — варіант РНК з того самого гена, що кодує майже той самий білок, але з’являється в іншому місці й у інший час, у ділянці майбутньої голови яйця.
Саме така рання, локалізована активність odd-paired дозволяє «перевикористати» цей ген як сигнал для порушення симетрії та задання осі «голова–хвіст» у «мухи-метелика».
Різні цілі в геномі, спільний принцип роботи
Дослідників також цікавило, як саме на молекулярному рівні odd-paired у цих мух порушує симетрію, і чи збігаються його мішені з тими, на які діє bicoid у дрозофіли.
Обидва гени — і bicoid, і odd-paired — впливають на доступність хроматину у геномі, тобто на те, наскільки «відкритими» чи «закритими» є ділянки ДНК у ядрі клітини. ДНК разом із білками формує хроматин: у відкритому стані він пухко упакований і легше зчитується та регулюється, у закритому — щільно упакований і менш доступний для роботи генетичної «машинерії».
І в дрозофіли, і в «мухи-метелика» порушення симетрії відбувається через керування доступністю хроматину в ділянках геному, що активують гени, потрібні для формування голови. Однак конкретні цільові гени відрізняються. У дрозофіли bicoid має десятки прямих мішеней, одна з найвідоміших — ген hunchback. Натомість у Clogmia albipunctata замінник у вигляді odd-paired, ймовірно, взагалі не взаємодіє з hunchback.
Замість цього «муха-метелик» запускає формування голови через активацію двох інших генів — homeobrain та sloppy-paired. Тобто принцип — керування доступністю хроматину для «головних» генів — зберігається, але сам набір цілей у геномі змінюється.
Наскільки різноманітні ембріональні мережі мух
Поки що незрозуміло, чи достатньо лише цих двох генів, homeobrain і sloppy-paired, щоб порушити симетрію осі в більшості видів мух, чи ж ранні ембріональні генетичні мережі в різних групах набагато різноманітніші. Якщо це так, порівняння таких мереж у багатьох видів може показати, які елементи генетичних систем розвитку найбільш стійкі до змін і чому.
За словами Урса Шмідта-Отта, приклад формування осі в ембріонах мух демонструє цінність підходу, коли вивчають не лише один модельний організм, а одразу багато споріднених видів. Це дозволяє побачити, як природа розв’язує одне й те саме завдання різними шляхами.
Нині описано близько 150 000 видів мух, і серед них спостерігається величезна різноманітність способів, якими вони задають полярність «голова–хвіст» у зародка. Аналізуючи ці «природні експерименти», науковці сподіваються краще зрозуміти загальні принципи того, як працюють і змінюються механізми розвитку в ході еволюції.