Исследование, проведённое в Венском университете, показало, что актинии используют молекулярный механизм, известный у билатеральных животных, для формирования оси тела «спина-живот». Этот механизм («BMP shuttling») позволяет клеткам организовываться во время развития, интерпретируя сигнальные градиенты.
Основные выводы
Результаты, [опубликованные](https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu6347) в Science Advances, свидетельствуют о том, что эта система эволюционировала гораздо раньше, чем предполагалось ранее, и уже присутствовала у общего предка книдарий и билатерий.
Билатеральная симметрия
Большинство животных демонстрируют билатеральную симметрию — план строения тела с головой и хвостом, спиной и животом, левой и правой сторонами. Эта организация тела характеризует обширную группу, известную как Билатеральные, в которую входят такие разные животные, как позвоночные, насекомые, моллюски и черви.
В отличие от них, книдарии, такие как медузы и актинии, традиционно описываются как радиально-симметричные. Однако ситуация с актиниями иная: несмотря на поверхностную радиальность, они билатерально симметричны — сначала на уровне экспрессии генов в эмбрионе, а затем и анатомически во взрослом состоянии.
Это поднимает фундаментальный эволюционный вопрос: возникла ли билатеральная симметрия у общего предка Билатерий и Книдарий или она развилась независимо в нескольких линиях животных?
Исследование механизма BMP shuttling у актиний
Исследователи из Венского университета обратились к этому вопросу, выясняя, присутствует ли у книдарий ключевой механизм развития, называемый BMP shuttling.
У билатеральных животных ось «спина-живот» формируется с помощью [сигнальной системы](https://phys.org/tags/signaling+system/), включающей костные морфогенетические белки (BMP) и их ингибитор хордин. BMP действуют как молекулярные мессенджеры, сообщая эмбриональным клеткам, где они находятся и какого типа тканью они должны стать.
В билатеральных эмбрионах хордин связывает BMP и блокирует их активность в процессе, называемом «локальным ингибированием». В то же время у некоторых, но не у всех билатеральных эмбриональных моделей хордин также может транспортировать связанные BMP в другие области эмбриона, где они высвобождаются снова — механизм, известный как «BMP shuttling».
Животные, столь эволюционно далёкие, как [морские ежи](https://phys.org/tags/sea+urchins/), мухи и лягушки, используют BMP shuttling, однако до сих пор было неясно, развили ли они его независимо или унаследовали от своего последнего общего предка около 600 миллионов лет назад.
Результаты исследования
Чтобы выяснить, используют ли актинии хордин в качестве локального ингибитора или в качестве шаттла, исследователи сначала заблокировали выработку хордина в эмбрионах модельной актинии Nematostella vectensis.
В Nematostella, в отличие от билатерий, сигнальная активность BMP требует присутствия хордина, поэтому без хордина передача сигналов BMP прекратилась, и формирование второй оси тела не удалось. Затем хордин был вновь введён в небольшую часть эмбриона, чтобы увидеть, сможет ли он восстановить формирование оси.
Передача сигналов BMP возобновилась — но было неясно, произошло ли это потому, что хордин просто блокировал BMP локально, позволяя сформироваться градиенту из существующих источников BMP, или потому, что он активно транспортировал BMP в отдалённые части эмбриона, формируя градиент более непосредственно.
Для ответа на этот вопрос были протестированы две версии хордина — одна мембранно-связанная и неподвижная, другая — диффузная. Если хордин действовал как локальный ингибитор, то обе неподвижная и диффузная формы хордина восстановили бы передачу сигналов BMP на стороне эмбриона, противоположной клеткам, продуцирующим хордин. Однако только диффузный хордин может действовать как шаттл BMP.
Результаты были однозначны: только диффузная форма смогла восстановить передачу сигналов BMP на расстоянии от источника, демонстрируя, что хордин действует как шаттл BMP у актиний — так же, как у мух и лягушек.
Присутствие BMP shuttling как у книдарий, так и у билатерий позволяет предположить, что этот [молекулярный механизм](https://phys.org/tags/molecular+mechanism/) возник до их эволюционного расхождения около 600–700 миллионов лет назад.
«Не все билатеральные животные используют хордин-опосредованный BMP shuttling, например, у лягушек он есть, а у рыб — нет, однако этот механизм вновь и вновь появляется у очень отдалённо родственных животных, что делает его хорошим кандидатом на роль предкового механизма формирования паттернов», — говорит Дэвид Мёрсдорф, первый автор исследования и постдокторский исследователь на кафедре неврологии и биологии развития в Венском университете.
«Это открывает захватывающие возможности для переосмысления того, как формировались планы строения тела у ранних животных», — добавляет Григорий Генихович, старший автор и руководитель группы в том же отделе.
«Мы, возможно, никогда не сможем исключить возможность того, что билатеральные животные и билатерально симметричные книдарии развили свои двусторонние планы строения тела независимо. Однако если последний общий предок Книдарий и Билатерий был билатерально симметричным животным, есть вероятность, что он использовал хордин для транспортировки BMP, чтобы сформировать ось «спина-живот». Наше новое исследование показало, что это так», — заключает он.
Предоставлено [Университетом Вены](https://phys.org/partners/university-of-vienna/).