Ученые применили грубую силу к эмбрионам прудовиков на самой ранней стадии развития. Сдвинув клетки, люди изменили механизм работы генов в запланированную сторону.
Раковины брюхоногих моллюсков закручены вправо или влево – по часовой стрелке или против. Это генетический признак, зависящий от информации в ДНК. Удивительно, но ученым удалось при помощи манипуляций с эмбрионами вопреки наследственной программе получить улиток с раковинами, закрученными наоборот. Этот трюк помог им понять, какие факторы определяют право-левостороннюю асимметрию у животных.
Рейко Кудора (Reiko Kudora), профессор Токийского университета (The University of Tokyo) и его коллеги работали с прудовиком (Lymnaea stagnalis). Это всем известный пресноводный моллюск, типичный обитатель водоемов средней полосы. Коническая раковина прудовика образована завитками вправо или влево, форма раковины передается по наследству. Известно, что правые завитки – доминантный признак, а левые – рецессивный.
Напомним, что доминантный признак проявляется в случае, когда хотя бы на одной хромосоме имеется соответствующий ген, а рецессивный – когда ген присутствует только в обеих хромосомах.
Как «правые» клетки заставили пойти налево
Развитие эмбриона из оплодотворенной яйцеклетки начинается с того, что из нее путем деления образуются сначала две клетки, затем четыре, восемь и так далее. Ученые вмешались в эмбриональное развитие на стадии третьего дробления, когда из четырех клеток – бластомеров -- получается восемь. У эмбриона улиток уже на этой стадии клетки располагаются спирально: четыре новых бластомера возникают не прямо над четырьмя старыми, а со сдвигом вправо или влево.
К эмбрионам, состоящим из четырех бластомеров, применили физическое воздействие. При помощи двух ультратонких стеклянных прутиков исследователи направили клетки в другую сторону -- противоположную их естественному закручиванию. В результате такого насилия на следующей стадии восемь бластомеров расположились спирально в направлении, которое им задали с помощью «грубой физической силы».
Ученые провели множество манипуляций по переучиванию эмбрионов, и 78% из них оказались успешными. 71 из 91 генетически левого эмбриона они переучили направо, а 67 из 86 генетически правых эмбрионов – налево.
Смена ориентации -- на всю жизнь
Затем они продолжали наблюдать, что будет происходить дальше. На четвертом дроблении (из восьми клеток возникает шестнадцать) 72% из переученных налево (48 из 67) и 54% из переученных направо (38 из 71) эмбрионов поделились в направлении, противоположном генетической программе.
Чтобы вырастить из эмбрионов взрослых улиток, их поместили в инкубатор. Через 17 дней 31% (13 из 42) переученных генетически правых эмбрионов развились в улитку, и у всех улиток оказалась левозавитковая раковина. Из 46% (10 из 22) переученных генетически левых эмбрионов выросли улитки с правозавитковой раковиной. Взрослые улитки по внешнему виду ничем не отличались от обычных прудовиков, право- и левозакрученных естественным образом.
Итак, стало ясно, что ориентация раковины зависит от расположения бластомеров в эмбрионе при спиральном дроблении. Причем именно на стадии перехода от четырех клеток к восьми. Ученые проверили, нельзя ли воздействовать на эмбрионы раньше, и попробовали это сделать. Но оказалось, что переученные на стадии двух клеток эмбрионы в дальнейшем возвращаются к своей генетической программе. А вот на стадии четырех клеток воздействие необратимо.
Внутри так же, как и снаружи
Не ограничившись внешним сходством, биологи изучили внутреннее строение прудовиков. Оказалось, что легочный мешок, кишечник, половые железы у переученных улиток открываются наружу на ту же сторону, что и у обычных право- и левозакрученных. И остальные внутренние органы – сердце, печень, петля кишечника – имеют ту же форму и расположение. То есть улитки, измененные при помощи микроманипуляций, оказались точными зеркальными копиями тех, кем они должны были стать.
Дети получили нормальную ориентацию
Ну и, наконец, от переученных улиток получили потомство. Их дети, как и следовало ожидать, имели право- или левозавитковую раковину в соответствии со своей генетической программой. Искусственное перекручивание как приобретенный признак не передалось по наследству.
А что там с генами?
Известно, что за право-левую асимметрию у моллюсков, как и у большинства других животных, отвечают гены nodal и pitx. Биологи проследили работу этих генов в эмбрионах улиток. У «левых» эмбрионов ген nodal на стадии 32-64 клеток экспрессируется в левой части клеток, близ левой части формирующейся раковины, а у «правых» -- наоборот. Оказалось, что у переученных улиток ген меняет место своей экспрессии на противоположное. То же касается и гена pitx, который отвечает за асимметрию внутренних органов.
Таким образом, физические манипуляции не только изменили внешний и внутренний вид прудовиков, но и повлияли на характер работы генов. И в этом нет ничего сверхъестественного. Дело в том, что в эмбрионе клетки очень сильно влияют друг на друга, и их взаимное расположение играет решающую роль в дальнейшем развитии.
Статья о том, как ученые поменяли ориентацию улиток, опубликована 26 ноября в журнале Nature.
