Зародыш лягушки. Эмбриональное развитие лягушек и рыб: новые открытия в генетике зародышей

Как происходит эмбриональное развитие лягушек и рыб на генетическом уровне. Какие гены активируются на разных стадиях развития зародыша. Почему некоторые эмбриональные клетки могут менять программу дифференцировки. Какие новые методы позволили изучить активность генов в отдельных клетках эмбриона.

Новые открытия в эмбриологии лягушек и рыб

Эмбриональное развитие животных всегда казалось почти мистическим процессом. Как из одной оплодотворенной яйцеклетки формируется целый организм со множеством разных органов и тканей? Ученые знали, что в основе этого лежит дифференциальная активация генов в разных клетках зародыша, но долгое время не могли проследить этот процесс в деталях. Новые исследования, опубликованные в журнале Science, позволили заглянуть в самое начало эмбриогенеза лягушек и рыб на уровне отдельных клеток и генов.

Что нового удалось узнать об эмбриональном развитии?

Исследователи из Гарварда и других институтов провели несколько масштабных экспериментов:

• Проанализировали активность генов в более чем 90 000 клеток эмбрионов рыбки данио в течение первых 24 часов развития.
• Изучили изменения экспрессии генов каждые 45 минут в первые 9 часов жизни зародышей данио.
• Исследовали активность генов в 137 000 клеток эмбрионов шпорцевой лягушки на разных стадиях развития.

Для этого использовали современные методы анализа РНК в отдельных клетках и компьютерные алгоритмы обработки данных. Это позволило увидеть, какие именно гены активны в каждой клетке эмбриона в разные моменты времени.

Какие неожиданные результаты были получены?

Одним из главных открытий стало обнаружение клеток с «промежуточным» состоянием. Раньше считалось, что выбрав путь дифференцировки, клетка уже не может его изменить. Но оказалось, что некоторые клетки эмбрионов рыб способны переключаться между разными программами развития. Это говорит о большей гибкости эмбриональных клеток, чем предполагалось ранее.

Почему эти исследования так важны?

Полученные результаты позволяют лучше понять фундаментальные механизмы эмбрионального развития. Это открывает новые возможности для:

• Изучения врожденных заболеваний и пороков развития
• Разработки методов регенеративной медицины
• Понимания эволюции эмбрионального развития у разных видов

Кроме того, разработанные методы анализа отдельных клеток эмбриона могут быть применены и для изучения других биологических процессов.

Какие вопросы остаются открытыми?

Несмотря на значительный прогресс, многие аспекты эмбрионального развития все еще остаются загадкой:

• Как именно клетки «принимают решение» о выборе пути дифференцировки?
• Какие сигналы заставляют гены включаться и выключаться в нужное время?
• Насколько универсальны обнаруженные механизмы для разных видов животных?

Ответы на эти вопросы потребуют дальнейших исследований с применением новых методов анализа отдельных клеток и их взаимодействий в развивающемся эмбрионе.

Перспективы дальнейших исследований

Ученые планируют расширить подобные исследования на другие модельные организмы, включая млекопитающих. Это позволит выявить как общие принципы эмбрионального развития, так и видоспецифичные особенности. Особый интерес представляет изучение ранних этапов развития человеческих эмбрионов, что может помочь в понимании причин бесплодия и врожденных заболеваний.

Кроме того, полученные знания о гибкости эмбриональных клеток могут быть использованы для разработки новых подходов в регенеративной медицине. Если удастся «перепрограммировать» взрослые клетки, вернув им эмбриональную пластичность, это откроет новые возможности для лечения травм и заболеваний.

Заключение

Новые исследования эмбрионального развития лягушек и рыб на уровне отдельных клеток и генов позволили заглянуть в самое начало формирования живых организмов. Обнаруженная гибкость эмбриональных клеток и детальная картина активации генов в ходе развития зародыша открывают новые горизонты как для фундаментальной биологии, так и для медицины. Хотя многие вопросы еще остаются без ответа, разработанные методы анализа дают надежду на дальнейший прогресс в понимании тайн эмбрионального развития.

биофак СПбГУ

биофак СПбГУ

контакты      
карта сайта      почтовый сервер
      управление      поддержка

199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7-9
© Санкт-Петербургский государственный университет, 2006-2017

Эмбриональное развитие разобрали по генам

Поклеточное сравнение зародышей рыб и лягушек прояснило некоторые молекулярно-генетические загадки эмбрионов.

Зародыш рыбы Danio rerio. (Фото: Annie Cavanagh / Wellcome Collection)

Открыть в полном размере

‹

›

Каждый человек, каждый зверь, птица, рыба, насекомое и т. д. происходят из одной-единственной клетки – оплодотворенной яйцеклетки, которая дает начало группе эмбриональных стволовых клеток.

И хотя мы уже довольно много знаем об эмбриональном развитии, о том, как из микроскопической горстки стволовых клеток получаются сердце, легкие, мозг и т. д., все равно весь процесс многим кажется почти мистическим.

Конечно, биологи всегда говорили, что в клетках эмбриона постоянно происходит переключение генов, управляющих развитием, что в один момент времени работают одни гены, а в другой момент – другие, и что активность генов отличается у разных клеток. Но проблема была в том, что довольно долго никто не представлял эмбриональную молекулярно-генетическую чехарду во всех подробностях, то есть какие именно гены когда именно и где именно работают. Оставалось только надеяться, что развитие научных методов позволит это когда-нибудь выяснить.

И вот надежды сбылись. В журнале Science вышло сразу три статьи, в которых на примере эмбрионов рыбы Danio rerio (полосатый данио) и шпорцевой лягушки подробно расписано, какие гены, где именно и когда именно работают (и лягушка, и полосатый данио – обычные модельные объекты в молекулярно-биологических экспериментах).

Как известно, генетическая информация из ДНК сначала копируется в молекулу РНК (точнее, в матричную РНК, потому что у РНК много разновидностей), а с РНК потом работают белок-синтезирующие машины. На активных генах синтезируется много РНК-копий, на неактивных – мало; значит, чтобы оценить генетическую активность в клетке, нужно сравнить в ней количество РНК от разных генов.

В последние годы биологи научились считать молекулы РНК в одной-единственной клетке – то, что нужно, если мы хотим узнать, как в эмбрионе клетки превращаются друг в друга. Исследователи из Гарварда семь раз брали зародыши рыб на ранних стадиях развития (начиная с 4 часов и до 24 часов после оплодотворения, когда в зародыше появляются зачатки органов) и разбирали их на отдельные клетки, и в каждой клетке читали последовательности РНК.

Кроме того, эмбрионы с самого начала снабжали особыми метками в виде кусочков ДНК с уникальными последовательностями – когда клетки делились, им доставались те или иные ДНК-метки, так что про каждую клетку можно было узнать, от кого она произошла. Всего пришлось проанализировать около 92 000 клеток; но в результате удалось понять, как меняется активность генов в клетках с разной родословной в течение первых суток эмбрионального развития.

В другом эксперименте те же зародыши рыб анализировали на еще более ранних этапах развития: каждые 45 минут в течение первых девяти часов жизни. Здесь цель была в том, чтобы выявить сходства и различия в активности генов между клетками из разных линий – задача весьма непростая, если учесть, что в первые часы жизни в зародыше рыбы появляются 25 типов клеток, и потребовавшая довольно изощренного компьютерного алгоритма.

Наконец, зародыши лягушки брали десять раз между пятью и двадцатью двумя часами после оплодотворения и также разбирали на клетки – тут РНК пришлось анализировать примерно у 137 000 клеток.

Результаты принесли некоторые сюрпризы. Раньше считалось, что когда клетка выбирает тот или иной путь развития, она уже не может с него свернуть – то есть если запустилась «мышечная программа», то потомки такой клетки будут однозначно стремиться стать мышцей. Но в эмбрионах рыб были клетки, которые ухитрялись идти по какому-то срединному пути, будучи в состоянии переключаться с одной программы дифференцировки на другую.

С другой стороны, удалось выяснить, что еще на стадии совсем неоформленного зародыша, когда он представляет собой всего лишь клеточный пузырь, его клетки уже начинают определяться с собственным предназначением: например, в шарообразном раннем эмбрионе лягушки есть клетки, которые уже готовятся сформировать хвост головастика.

И, конечно же, оба зародыша сравнили друг с другом. Считается, что до определенного момента развитие у позвоночных животных идет схожим образом – и некоторые ключевые гены в обоих зародышах действительно работали одинаково. Однако различий обнаружилось все же больше, чем ожидали исследователи.

Наконец, мутации, которые специально вносили в геном эмбрионов, приводили к тому, что зародыш лишался целой группы клеток – но притом другие клетки в нем работали нормально, хотя мутации должны были сказаться на них всех.

Однако в любом случае, какие бы сюрпризы ни поджидали бы биологов дальше, мы видим, что новые методы позволяют до конца разобраться в «мистике» эмбрионального развития – а чем больше мы будем здесь знать, тем раньше научимся предотвращать разнообразные врожденные пороки, многие из которых до сих пор остаются неизлечимыми заболеваниями.

Эмбрионы лягушек могут покинуть яйца раньше

Яйца — отличное место для эмбрионов лягушек, но они не защищены от таких угроз, как нехватка кислорода, наводнения, грибковые патогены и хищники.

Биолог Карен Варкентин обнаружила, что эмбрионы красноглазых древесных лягушек способны удивительным образом оценивать различные угрозы, и если возникает опасность, они могут выбрать вылупление на несколько дней раньше, чем обычно.

Этот процесс называется вылуплением с учетом окружающей среды, и за последнее десятилетие исследователи обнаружили доказательства того, что он работает для всех видов животных — от плоских червей и улиток до рыб, от лягушек и саламандр до черепах и птиц.

«Вылупление — это контролируемая, регулируемая реакция, — говорит Варкентин, адъюнкт-профессор биологии Бостонского университета. «В какой-то момент эмбрионы решат это сделать. Удивительно, к какой информации они обращают внимание».

Вылупление, обусловленное окружающей средой, говорит Варкентин, является частью более крупной истории, и это привело к коллективному изменению взглядов на развитие. До 1990-х годов биологи считали, что животные, которые начинают жизнь в яйце, вылупляются в определенное время, независимо от того, что происходит вокруг них.

Изменение планов

Яйца красноглазой квакши, например, обычно вылупляются через шесть или семь дней. По мере развития эмбриона лягушки он высвобождает ферменты через железы в своей голове, которые разрушают оболочку яйцеклетки, что в конечном итоге позволяет головастику выкарабкаться наружу. Но недавнее исследование Варкентина и других ученых показывает, что многие животные способны отказаться от этих планов.

В результате, по ее словам, исследователи больше не рассматривают вылупление — и развитие в целом — как процесс с фиксированным графиком, а скорее как процесс, который «фундаментально реагирует и зависит от контекста».

«Включение этой пластичности в наши представления о биологии меняет нас», — говорит Варкентин. «Это меняет то, как мы думаем о том, как устроена жизнь».

Ее текущее исследование, финансируемое Национальным научным фондом, сосредоточено на двух факторах, которые могут вызвать раннее вылупление красноглазых древесных лягушек: вибрации, нарушающие кладку, и недостаток кислорода или гипоксия. «Это вещи, на которые реагируют многие яйца самых разных организмов — позвоночных и беспозвоночных», — говорит она. «Похоже, они являются довольно распространенными сигналами вылупления и источниками информации для эмбрионов». Она задает множество вопросов о том, как и почему поведение эмбриона меняется в процессе развития — от первых нескольких дней до момента вылупления.

Уоркентин, которая проводит большую часть своей полевой работы в Смитсоновском институте тропических исследований в Гамбоа, Панама, занимается изучением яиц квакши с красными пятнами уже более 20 лет.

Подставки для яиц

Фотогеничная красноглазая древесная лягушка обитает в тропических лесах от Мексики до Колумбии. В период размножения, с мая по ноябрь, в Панаме самки лягушек откладывают кладки яиц — около 40 яиц в кладке — на листья и другую растительность, нависающую над прудами и болотами. Через шесть-семь дней головастики появляются и падают в воду.

Но бывают случаи, когда лучше не ждать так долго. Если яйца упадут в пруд — авария, которая прекратит подачу воздуха, — эмбрионы могут вылупиться всего за три дня. Варкентин пытается выяснить, какой уровень гипоксии вызывает вылупление, сколько времени требуется эмбрионам, чтобы решить вылупиться, и как их потребность в кислороде и способность к вылуплению меняются в процессе развития.

В лаборатории она ищет ответы, используя крошечные стеклянные чашки как раз подходящего размера для кухни кукольного домика. (Она заказала 30 из них у художника по стеклу из Ньютона, штат Массачусетс.) Варкентин помещает одно яйцо лягушки в чашку и ставит чашку в камеру, перед которой находится предметное стекло микроскопа. Она наполняет камеру кипяченой дегазированной водой и записывает на видео, что происходит дальше. В одном видео эмбрион извивается внутри яйца в поисках кислорода и, не найдя достаточного количества воздуха, начинает толкать яйцо. Через несколько секунд он выдавливается.

Варкентин также может манипулировать средой внутри камеры с эмбрионами разного возраста и наблюдать за поведением лягушек. «Мы знаем, что заставляет их вылупляться недостаток кислорода», — говорит она. «Они становятся чувствительными к этому сигналу в очень молодом возрасте и реагируют на него поведенчески задолго до того, как вылупятся. Так что, вероятно, их способность собирать такую ​​информацию не меняется в течение периода вылупления».

Нападения змей и ливни

Изучение реакции эмбриона на вибрации несколько сложнее. Желатиновые яичные массы изначально шаткие, и многие вещи — как опасные, так и безобидные — могут нарушить кладку.

Более ранние исследования Варкентина были сосредоточены на двух таких нарушениях: нападениях змей и ливнях. Записав вибрации, а затем воспроизведя их эмбрионам, она обнаружила, что эмбрионы красноглазых древесных лягушек вылупляются рано в ответ на тряску змеи, кусающей кладку, но не на вибрации капель дождя, забрасывающих яйца.

Работая с Грегом Макдэниелом, адъюнкт-профессором машиностроения, над разработкой и усовершенствованием системы воспроизведения вибрации, Варкентин обнаружил, что эмбрионы реагируют на вибрационные модели и частоты каждого возмущения. «Чем большему количеству различных особенностей вибрации они будут уделять внимание одновременно, тем больше это уменьшит их риск ошибок», — говорит она.

Это важно, потому что ошибки — решение остаться в яйце во время нападения змеи или вылупиться раньше срока из-за бури — могут дорого обойтись. Недоношенные дети часто умирают чаще; во-первых, они плохо плавают и менее способны убежать от водных хищников.

«Очевидно, что раннее вылупление связано с затратами и рисками, — говорит Варкентин, — но если вы собираетесь умереть в яйце, вы можете рискнуть и в пруду».

Источник: Бостонский университет

Как ученые превратили эмбрионы лягушек в живых самовоспроизводящихся роботов обнаружили, что те же самые организмы, которые они создали в 2020 году, способны создавать новые версии самих себя, объединяясь.

Отчет , опубликованный Институт Висса  раскрывает, что ксеноботы, созданные вручную и созданные с помощью компьютера, могут самореплицироваться, выплывая и собирая отдельные клетки, чтобы собрать во рту «детские» версии самих себя. Через несколько дней новые боты начинают двигаться и выглядят точно так же, как их «родители».

Ксеноботы , соскобленные с эмбрионов лягушек, а затем собранные для создания новых форм жизни с помощью суперкомпьютера в Университете Вермонта, были впервые представлены в 2020 году. Тогда ученые обнаружили, что хотя ксеноботы имеют ширину около миллиметра, , они могут вместе двигаться к цели, поднимать полезную нагрузку и лечиться после ранения. Их последнее открытие показывает, что боты могут выходить, находить клетки и многократно воспроизводить себя.

«Это глубоко. Эти клетки имеют геном лягушки, но, освободившись от превращения в головастиков, они используют свой коллективный разум, пластичность, чтобы делать нечто поразительное», — сказал Майкл Левин, доктор философии, профессор биологии. и директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса и соруководитель нового исследования, говорится в заявлении.

В начале своего исследования Левин отметил, что они уже были поражены способностью ксеноботов выполнять простые задачи, поэтому тот факт, что они могут спонтанно воспроизводиться, примечателен. Хотя ксеноботы состоят из клеток лягушек, их поведение отличается от поведения лягушек. По словам ведущего автора Сэма Кригмана, доктора философии, ни одно растение или животное на сегодняшний день не воспроизводится таким образом.

На протяжении всего своего исследования, начиная с создания ксеноботов, ученые позволяли суперкомпьютеру UVM определять, как корректировать формы родителей ксеноботов, которые представляли собой сферу, состоящую примерно из 3000 клеток. Одна из форм, которую придумала машина, напоминает Pac-Man из знаменитой видеоигры.

Они дополнительно изучили, на что способен ксенобот в форме Pac-Man, и пришли к такому результату: он может создавать своих собственных детей, внуков и более поздние поколения самого себя.