Одним из самых основных и решающих эмбриональных процессов, происходящих практически в каждом живом организме, является образование полых трубчатых структур различного типа. Эти трубки могут образовывать кровеносные сосуды или пищеварительный тракт, а за счет ветвления и дифференцировки — сложные органы, включая сердце, почки и молочные железы.

Нарушения этих процессов могут вызывать врожденные нарушения, такие как дисфункциональные, смещенные или несимметричные органы, а также дефекты регенерации кровеносных сосудов или других регенеративных органов. Несмотря на свою фундаментальную важность, общие механизмы формирования полых трубок во время эмбриогенеза изучены недостаточно из-за большого разнообразия стратегий, которые животные используют для формирования трубчатых структур. Войдите в морскую звезду, древнее морское существо, чей процесс тубулогенеза относительно легко изучить, и который становится важным организмом для понимания генетики и механики трубообразования.

В выпуске Nature Communications от 9 мая Маргерита Перилло из Морской биологической лаборатории (MBL) и ее сотрудники подробно рассказывают об инициации и ранних стадиях формирования трубок у морской звезды Patiria miniata. «Большинство наших органов трубчатые, потому что им нужно транспортировать жидкости, газы, пищу или кровь. А более сложные органы, такие как сердце, начинаются как трубка, а затем развиваются другие структуры. органов, — сказал Перилло.

Перилло выбрал морскую звезду в качестве исследовательского организма, «потому что я хотел понять основной механизм образования трубок, который сохраняется у всех позвоночных. Поэтому мне нужно было животное, которое было в основе древа жизни, [эволюционировав] до хордовых. ," она сказала. Используя CRISPR и другие методы для анализа функции генов, а также продолжительные видеоролики о развитии личинок морских звезд, Перилло и его коллеги установили, как этот организм генерирует трубки, отходящие от его кишечника.

Ее исследование определяет основной набор инструментов, из которого могли развиться хордовые трубчатые органы. (Хордовые включают позвоночных — рыб, земноводных, рептилий, птиц и млекопитающих — и несколько подтипов беспозвоночных).

По словам Перилло, одним из открытых вопросов в биологии было то, как именно организмы развиваются из одной клетки в сложные трехмерные трубчатые структуры различных органов. У некоторых организмов, таких как мухи, «происходит большой цикл клеточной пролиферации, прежде чем все клетки начинают делать очень сложные модели миграции, чтобы удлиняться, изменять свою форму и становиться трубкой», — сказала она.

У других животных, включая млекопитающих, пролиферация и миграция клеток происходят одновременно. В случае с морской звездой «я обнаружил, что для формирования трубки клетки могут размножаться и мигрировать одновременно», как это происходит при развитии позвоночных. «Итак, это означает, что этот механизм образования органов уже был установлен в основе» или корневой эволюции хордовых, сказала она.

По словам Перилло, помимо того, что они дают представление об основных процессах, ведущих к формированию органов, морские звезды могут служить моделью для многих биомедицинских исследований. Например, она обнаружила, что ген Six1/2 служит ключевым регулятором процесса ветвления при формировании трубок. У мышей нокаут Six1/2 вызывает аномальное формирование почек. Но исследователи обнаружили, что мыши, у которых отсутствует этот ген, также сопротивляются образованию опухолей, даже при введении опухолевых клеток. Ген, сверхэкспрессированный в раковых клетках, может привести к новым способам изучения прогрессирования заболеваний, включая рак.

«Теперь я могу использовать этот ген, чтобы понять не только то, как развиваются наши органы, но и то, что происходит с органами, когда у нас есть болезнь, особенно рак», — говорит она. «Я надеюсь, что максимум через пять-десять лет мы сможем использовать этот ген для проверки того, как в органах развивается рак и как рак становится метастатическим».

По словам Перилло, эмбрионы морских звезд имеют много практических экспериментальных преимуществ. Они в основном прозрачны, поэтому внутренние процессы роста можно непосредственно наблюдать в течение длительных периодов развития без вреда для организма. Их также легко собирать и разводить в больших количествах круглый год, «поэтому у меня всегда много материала для работы».

https://phys.org/news/2023-05-basic-toolkit-illuminated-sea-star.html