Присоски осьминога помогают понять, как эволюция формирует новые части тела

Фото из открытых источников

Щупальца каракатиц и осьминогов используют гены, отвечающие за формирование конечностей, как у насекомых, но их присоски формируются на основе гена, сформировавшегося в первые дни развития эмбриона. Результаты исследования были опубликованы в журнале iScience.

Насекомые и мыши выстраивают конечности в определенное положение с помощью одного и того же небольшого набора генов. Генетические инструкции, используемые для выращивания щупальца осьминога, отличаются от тех, которые используются для выращивания маленьких присосок на этом же щупальце.

Ни один из генов, определяющих форму конечностей, которые исследовала команда, не был активен в формировании присосок. Вместо этого исследователи выявили активный ген, также участвующий в формировании раннего эмбриона.

Группа исследователей из Токийского университета составила карту активности двух десятков генов в развивающихся щупальцах каракатиц и осьминогов, а также в ноге прудовой улитки. Работу на Морской биологической станции Мисаки, входящей в состав факультета естественных наук университета, возглавлял Рёсуке Кимбара, а также Хисанори Коцука, Кохэй Огучи, Дайсуке Курокава и Тору Миура.

Кимбара отмечает, что поиски пошли не так, как ожидала команда. «Сначала мы предположили, что гены, отвечающие за формирование конечностей, будут участвовать как в формировании конечностей, так и в формировании присосок. Но мы столкнулись с трудностями при идентификации генов, экспрессирующихся в присосках», — рассказывает Кимбара. «Поэтому мы изменили метод на более комплексный и продолжили скрининг, пока не обнаружили ген с характерным паттерном экспрессии в развивающихся присосках, и он оказался не там, где мы ожидали его найти».

Главным объектом исследования была золотая каракатица. Взрослых особей вылавливали сетями у рыболовецкого порта Окусу в Йокосуке, в заливе Сагами, каждую весну с 2020 по 2023 год. Оплодотворенные яйца помещали в резервуары с морской водой, температура которой поддерживалась на уровне 19–21 °C. Вылупившихся мальков кормили мелкими креветками и крабами, пойманными на берегу за пределами станции.

Считается, что щупальца головоногих моллюсков произошли от плоской мускулистой ноги, на которой ползали их предки, похожие на улиток. Поэтому команда также вырастила эмбрионы осьминога с золотыми пятнами из взрослых особей, собранных во Внутреннем море Сето и Токийском заливе.

Чтобы сравнить конечности с ногами моллюсков, они также вырастили крупных прудовых улиток из лабораторной линии. Чтобы определить, где именно работает ген, исследователи окрасили эмбрионы зондом, который окрашивает только те клетки, где этот ген активирован.

Они сосредоточили внимание на второй паре отростков, на тех стадиях, когда вдоль них начинали появляться новые присоски.

Первые проверенные гены имеют названия, которые раскрывают их историю. Белки Distal-less, Dachshund, Homothorax и Extradenticle были обнаружены у плодовых мушек, где они помогают отмечать конечность от основания до кончика. Их аналоги выполняют аналогичную работу в конечности мыши.

На щупальце каракатицы каждый элемент окрашивал свою зону. Дистальный элемент освещал середину и кончик щупальца. Гомоторакс и экстрадентикул оставались у основания, где присоски не растут. Пятый ген отмечал заднюю часть щупальца, противоположную стороне присоски. Те же зоны наблюдались и на щупальце осьминога .

У улитки те же гены были активированы, но распределены по всей стопе, без каких-либо зон поражения. Команда исследователей утверждает, что именно узорчатый вариант превратил цельную стопу в конечность с основанием, кончиком и присоской. Исследовательская группа не обнаружила никакой активности генов, определяющих форму конечностей, в зачатках присосок.

Вторая группа сигналов, известная как BMP, проводит границу между стороной, обращенной к присоске, и задней частью. Ген Bmp2/4 был активен на спине, в то время как ген Chordin, блокирующий Bmp2/4, был наиболее силен со стороны присосок и в самых молодых почках на кончике конечности.

В ножке улитки эти сигналы отсутствовали, хотя в других частях личинки они проявлялись. Таким образом, расположение щупалец головоногих моллюсков спереди назад выглядит так, будто его изобрели сами головоногие.

У хордина есть еще одна известная функция — он участвует в формировании нервной ткани, и окрашивание соответствовало этой функции. Нервы, отходящие от центрального пучка нерва конечности, уже успели сформировать присоску еще до того, как она начала втягиваться внутрь, образуя чашечку.

Поскольку у каракатиц отсутствовали гены, отвечающие за развитие конечностей, команда изменила тактику. Они разрезали вторые щупальца молодых каракатиц на кончик, середину и основание, а также отдельно на боковую и заднюю части присоски. Затем они секвенировали каждый активный ген в каждом фрагменте, используя по три животных на каждый фрагмент.

Между этими фрагментами различались тысячи генов. Только девять из них имели высокую экспрессию как на кончике, так и на стороне присоски. Известно, что только один из этих девяти, Ets1, кодирует белок, регулирующий другие гены.

Белок Ets1 обычно функционирует во время гаструляции — стадии, на которой полый шар из эмбриональных клеток складывается внутрь, образуя слои тела. У моллюсков и других животных это связано с процессом, при котором клетки в клеточном слое ослабляют свою связь друг с другом и мигрируют.

В щупальце каракатицы ген Ets1 располагался вдоль гребня на кончике щупальца, где образуются новые присоски, а также в самых молодых почках. По мере того, как почка сужалась к центру, активность гена сужалась до этого углубления. У сформировавшихся присосок у основания активность гена почти исчезала. У осьминога наблюдалась та же закономерность.

Краситель, очерчивающий клеточные мембраны, показал, что клетки выполняют действия, соответствующие гену. В молодом почке аккуратный однослойный слой поверхностных клеток покрывал рыхлую внутреннюю массу. В почке, образующей свою чашечку, поверхностные клетки вытянулись в колонны. В самой глубокой точке углубления граница между поверхностным слоем и внутренней массой размылась.

Команда Кимбары интерпретирует это как изменение формы и движение клеток, подобное тому, что происходит на начальном этапе формирования эмбриона. У улитки белок Ets1 был рассеян по всей поверхности ноги, а не сконцентрирован где-либо в одном месте.

У головоногих моллюсков имеется только одна копия гена Ets1, поэтому ген не был дублирован и освободился для выполнения новой функции. Вероятнее всего, причиной его неэффективности стали изменения во времени и месте его включения, либо мутации в самом гене.

«Наши результаты показывают, что развитие конечностей у головоногих моллюсков включает в себя консервативные гены, определяющие структуру конечностей, которые также используются при их развитии у других животных, таких как насекомые и млекопитающие», — говорит Кимбара. «Но у их щупалец есть уникальный механизм развития, при котором гены Ets1, используемые на ранних стадиях эмбриогенеза, используются повторно».

Здесь представлена карта активности генов, и это не тест на определение их функций. Никто не отключал ген Ets1 в эмбрионе каракатицы, чтобы проверить, не образуются ли присоски, и команда называет именно такой эксперимент необходимым для получения этого открытия.

Вопрос о том, действительно ли присоски повторяют процесс складывания эмбриональных клеток, также остается открытым.

Второй ген, образовавшийся в результате этого процесса, FoxO, был активен в почках присоски каракатицы, но не у осьминога, а отслеживание отдельных клеток в процессе формирования почки не проводилось. Улитку исследовали только на одной личиночной стадии.

Кимбара отмечает, что присоски каракатиц и осьминогов также имеют различное строение и по-разному хватают предметы. Таким образом, молекулярный механизм мог развиваться независимо в каждой линии, даже несмотря на то, что ранние этапы выглядят похожими.

Далее исследователи планируют изучить наутилуса, представителя древней группы головоногих моллюсков, который цепляется за добычу липкими, языкообразными подушечками на щупальцах вместо присосок. В первую очередь команда хочет проверить, активен ли Ets1 на этих площадках.