Роль факторов среды и внутренней регуляции в определении роста организма

Размер тела живого существа напрямую влияет на его приспособленность — от простейших животных и растений до человека. Размер или высота особи — важный критерий успеха в конкуренции за ресурсы или размножение. Внутри вида генетическая информация схожа, что теоретически должно приводить к относительно однородным размерам. Однако в определённых физиологических пределах особи большинства видов вырастают до очень разных размеров — значит, размер зависит и от других факторов.

Какие именно параметры регулируют рост на молекулярном уровне, до сих пор почти не исследовалось. Учёные из Зоологического института Кильского университета (CAU) на примере пресноводного полипа Hydra показали, как факторы среды и внутренние регуляторные процессы совместно контролируют рост тела.

Исследователи продемонстрировали, что температура окружающей среды активирует специфические молекулярные сигнальные пути роста и, таким образом, участвует в определении размера. Кроме того, они показали, что генетические факторы также используют идентичные сигнальные пути, внося вклад в регуляцию размера у стрекающих. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Взаимодействие среды и внутренней регуляции

С клеточно-биологической точки зрения размер взрослого организма — результат трёх переменных: продолжительности роста, абсолютного числа образующихся клеток и индивидуального размера всех этих клеток. В ходе роста организм должен уметь измерять свой текущий размер и достижение максимального размера. В исследовании учёные CAU сосредоточились на регуляции числа клеток у Hydra.

• Влияние температуры: При низкой температуре окружающей среды Hydra производит до 83% больше клеток.
• Молекулярные пути: Удалось идентифицировать конкретные молекулярные сигнальные пути (Wnt и TGF-бета), которые реализуют влияние температуры на количество клеток, производя более крупных животных при более низких температурах. Эти сигналы участвуют, например, в эмбриональном развитии и дифференцировке клеток. Их взаимодействие с температурой окружающей среды и ростом ранее было неизвестно.
• Измерение размера: Сигналы Wnt также определяют переход от роста к стационарной фазе у Hydra. Учёные предполагают, что они служат организму инструментом для измерения собственного размера перед остановкой роста.

Влияние генов

Помимо температуры окружающей среды, определённая генетическая информация также вносит вклад в регуляцию размера у стрекающих. Гены, ответственные за инсулиновый сигнальный путь, совместно определяют рост, в том числе контролируя количество клеток в фазе роста.

• Функциональный анализ: В ходе функционального анализа генов исследовательская группа показала, что отключение генов, ответственных за этот сигнальный путь, приводит к уменьшению размеров тела полипов до 41%.
• Роль генетики: Таким образом, важную роль в клеточных регуляторных процессах роста играет и генетическая информация.

Вывод: Факторы окружающей среды и генетические факторы действуют последовательно в многоступенчатом процессе, в фиксированной иерархической последовательности, и опираются на одни и те же клеточные регуляторные механизмы. Вместе они контролируют количество и размер клеток, а также продолжительность фазы роста, и своим взаимодействием обеспечивают большую вариабельность, которая приводит к очень разным размерам тела взрослых организмов.

Регуляция размера — общий принцип?

Новые данные о регулировании роста размера у модельного организма Hydra способствуют выявлению универсальных принципов у многоклеточных организмов. Определённое сходство сигнальных путей позволяет исследователям предположить, что разные организмы очень похожим образом включают влияние окружающей среды и генетики в свою внутреннюю регуляцию размера.

Следующим важным шагом будет исследование влияния бактериальной колонизации тела на лежащие в основе контрольные процессы. Учёные подозревают, что симбиотические микроорганизмы тела также неразрывно связаны с регуляцией индивидуального развития и, следовательно, роста в размерах организма. В будущем они планируют изучить это возможное участие более подробно.