Сегментированное строение тела членистоногих, от насекомых до пауков, давно привлекает биологов своей консервативной структурой и разнообразными механизмами развития. Хотя плодовая муха изучена всесторонне, другие членистоногие оставались менее понятными на сопоставимом геномном уровне. Новое исследование меняет это представление, применяя передовые технологии работы с отдельными клетками, чтобы разгадать, как формируется сегментация у обычного домового паука Parasteatoda tepidariorum.
Исследование было проведено Таканори Акаива, доктором Хироки Ода и доктором Ясуко Акияма-Ода из Исследовательского зала JT Biohistory в Университете Осаки и Медицинском и фармацевтическом университете Осаки. Их результаты опубликованы в журнале Communications Biology.
Используя секвенирование отдельных ядер РНК — метод, который измеряет, какие гены транскрибируются в ядре каждой клетки, — команда создала подробную молекулярную карту эмбрионов пауков на критических стадиях сегментации вдоль передне-задней оси, то есть от головы до хвоста.
Исследуя состояния клеток с разрешением на уровне отдельных клеток, исследователи смогли наблюдать закономерности, отражающие появление повторяющихся сегментов тела. Это показало, как эктодермальные клетки, которые позже дают начало эпидермису и нервной ткани, выстраиваются таким образом, что соответствуют голове, груди и задним областям.
На практике они продемонстрировали, что динамически установленные паттерны экспрессии генов — инструкции из ДНК, которые включаются и выключаются — можно визуализировать и количественно оценить в тысячах клеток. Некоторые паттерны выглядели как домены, специфичные для региона, другие — как полосы, образованные волнообразным расщеплением и колебаниями, которые способствуют формированию тела паука. Это показало, что, хотя у членистоногих общее сегментированное тело, молекулярные шаги существенно различаются у разных видов.
Одним из ключевых прорывов исследования стала возможность реконструировать осевую ориентацию клеток паука, по сути воссоздавая план тела от головы до хвоста исключительно на основе молекулярных данных. Выравнивание вдоль этой оси позволяет правильно формировать последовательность частей тела. Как объяснила доктор Акияма-Ода: «Реконструкция осевого паттерна с использованием только данных, полученных с помощью секвенирования отдельных ядер, ранее не была описана у других животных. Наши ключевые наблюдения указывают на поляризованное состояние клеток эктодермы, закладывая основу для формирования полос».
Это демонстрирует, как пауки могут служить мощной моделью для изучения сегментации помимо плодовой мухи.
Исследование также выявило новые состояния клеток в мезодерме — слое, который формирует мышцы и внутренние органы, и в энтодерме, которая производит кишечник и связанные с ним ткани. Эти результаты подчёркивают клеточное разнообразие во время развития.
Важно отметить, что анализ команды выявил более двухсот генов, которые могли математически реконструировать паттерны сегментальных полос, что может помочь в создании прогностических моделей эмбрионального развития.
О значении исследования
Выводы этого исследования выходят далеко за рамки изучения пауков. Акаива, доктор Ода и доктор Акияма-Ода подчёркивают, что, продемонстрировав возможность построения детальных карт экспрессии генов без опоры на устоявшиеся модели, такие как плодовая муха, их исследование открывает возможности для изучения происхождения разнообразия развития в животном мире. Это предполагает, что сегментация, хотя и сохраняется в результате, достигается разными путями, подчёркивая гибкость эволюции в формировании фундаментальных закономерностей жизни.
Ссылка на журнал
Akaiwa T., Oda H., Akiyama-Oda Y. «Genome-wide quantitative dissection of an arthropod segmented body plan at single-cell resolution». Communications Biology, 2025; 8:913. DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-025-08335-x
Об авторах
Таканори Акаива — молодой учёный, специализирующийся на биологии развития, клеточной и молекулярной биологии. Он окончил магистерскую программу в Высшей школе естественных наук Университета Киото и продолжил обучение в докторантуре в Высшей школе естественных наук Университета Осаки, где присоединился к лаборатории Оды в Исследовательском зале JT Biohistory.
Доктор Хироки Ода — учёный и руководитель группы в Исследовательском зале JT Biohistory, а также приглашённый профессор в Высшей школе естественных наук Университета Осаки. Его работа сосредоточена на понимании происхождения животного разнообразия, а также ключевых изменений или переходов в клеточных и системах развития.
Доктор Ясуко Акияма-Ода — учёный в Исследовательском зале JT Biohistory и сотрудник Медицинского и фармацевтического университета Осаки. Она работает в области биологии развития и эволюционной биологии, уделяя особое внимание раннему эмбриогенезу членистоногих.