Безотказный механизм сохраняет симметрию тела плодовой мухи

Многое может пойти не так, когда эмбрион вырастает из оплодотворенной яйцеклетки в сложный многоклеточный организм. Например, у плодовых мух несколько различных мутаций могут катастрофически исказить эмбрион, приняв форму штопора. Закрученные эмбрионы всегда умирают, но как именно эти мутации вызывают искривленную форму тела, неясно.

Недавняя статья в журнале Current Biology обнаружила, что эмбрионы скручиваются, когда генетическая система, которая обычно поддерживает двустороннюю симметрию, разрушается. Без этой системы ткань эмбриона на одной стороне тела удлиняется быстрее, чем на другой, искажая его в смертельную форму штопора. «По сути, разница между тем, что происходит с искривленными мутантами и нормальными эмбрионами, заключается в нарушении симметрии», — говорит биолог Селия Смитс, которая руководила работой в качестве аспиранта Принстонского университета в Нью-Джерси. Это открытие намекает на то, что аналогичные системы могут работать и у других животных, говорит Смитс, хотя она не решается перейти к человеку, отчасти потому, что люди не развиваются внутри яичной скорлупы, как дрозофилы.

Получив задание понять особенность штопора, Смитс изобразил под световым микроскопом развитие нескольких десятков плодовых мух в их яйцах, как мутантов штопора, так и нормальных эмбрионов. В отличие от обычного конфокального микроскопа, световой микроскоп может отображать «обе стороны эмбриона одновременно, чтобы увидеть развитие, происходящее в 3D», — говорит Смитс. Каждое яйцо было немного больше булавочной головки, имело форму мармеладных конфет и было генетически спроектировано с использованием флуоресцентных молекул, которые освещали все 6000 его клеток под прицелом. Камера внутри микроскопа записывала каждый эмбрион примерно в течение часа, во время одной и той же фазы развития каждого из них, а именно, гаструляции, ранних стадий формирования кишечника. Именно тогда у некоторых мутантов начинается скручивание.

В видеороликах, напоминающих о том, как слизь кружится в лавовой лампе, запечатлены перестройки клеток внутри яиц. У нормальных эмбрионов гаструляция начинается, когда ткань на заднем конце тела сужается, а затем проталкивается внутрь. Затем эмбрион удлиняется симметрично по обе стороны своего тела, помогая сформировать полую трубку кишечника. У мутантов одна сторона эмбриона удлинялась не симметрично, а удлинялась гораздо быстрее, чем другая, в результате чего тело теряло двустороннюю симметрию и превращалось в штопор.

Следующий вопрос заключался в том, что произошло генетически. С формой штопора связано несколько различных генных систем. Смитс исследовал мух с мутациями в каждой из этих генных систем и обнаружил, что, по крайней мере, во время гаструляции только одна мутировавшая система приводила к скручиванию. У него был дефект в так называемой «системе формирования терминального паттерна», которая заставляет клетки проникать в тело из заднего конца эмбриона, образуя кишечник. Смитс обнаружил, что у этих мутантов также отсутствовал ген scb, который кодирует мембранный белок, выступающий из клетки. Белок может действовать как каркас, который, как было показано, помогает эмбриону прикрепляться к яичной скорлупе.

Каждый раз, когда генетик видит дефект симметрии, ошибка указывает на «систему, которая должна была сохранять симметрию, но не работала идеально», — говорит старший автор Станислав Шварцман, биолог развития из Принстона. У нормальных эмбрионов, у которых терминальная система формирования паттерна работает правильно, кишечник развивается с двусторонней симметрией. Это говорит о том, что что-то в этом генетическом пути сохраняет симметрию, а мутанты — нет.

Как именно система формирования терминального паттерна поддерживает симметрию у нормальных эмбрионов, остается открытым вопросом, но у Шварцмана и Смитса есть теория. Было показано, что белок scb помогает клеткам прилипать к яичной скорлупе плодовой мухи. У нормальных эмбрионов белок scb экспрессируется в форме наконечника стрелы в задней трети тела. Так что, возможно, когда нормальные эмбрионы отклоняются от средней линии симметричного развития, белок scb помогает вернуть клетки в нужное русло, захватывая яичную скорлупу, почти как бортики в боулинге, говорит Смитс.