Как среда и микробиом совместно формируют тело организма
Все многоклеточные существа заселены невообразимо большим количеством микроорганизмов и развивались вместе с ними с самого начала многоклеточной жизни. Естественный микробиом, то есть совокупность бактерий, вирусов и грибов, живущих в теле и на нём, имеет фундаментальное значение для всего организма. Однако индивидуальное развитие долгое время считалось чисто генетически детерминированным процессом, независимым от внешних факторов. Сейчас ясно, что на развитие влияет и среда.
Учёные из Кильского университета и Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) в рамках Коллаборативного исследовательского центра (CRC) 1182 «Происхождение и функция метаорганизмов» исследовали принципы фенотипической пластичности у пресноводного полипа Hydra. Они изучили, как температура и присутствие определённых колонизирующих бактерий влияют на индивидуальное развитие кишечнополостных. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Hydra реагирует на факторы среды
Hydra — филогенетически древний и просто организованный полип, подходящий для исследований, так как даже взрослая особь сохраняет эмбриональные характеристики, например, неограниченную регенеративную способность. «Это означает, что взрослое животное также может в любо время реагировать на изменяющиеся внешние факторы и соответствующим образом адаптировать форму своего тела», — объясняет профессор Себастьян Фрауне (HHU).
Исследователи выявили, как генетическая активность животного меняется в зависимости от условий среды. Они идентифицировали два гена, названные 'Eco1' и 'Eco2' из-за их реакции на условия окружающей среды. Оба гена таксономически ограничены, то есть встречаются только у Hydra.
- При температуре 12°C оба гена были сильно активированы по сравнению с 18°C.
- Искусственное удаление естественной бактериальной колонизации животных привело к значительному снижению активности обоих генов.
Стерилизованные животные имели тенденцию формировать больше щупалец. Низкая температура окружающей среды, однако, приводила к формированию меньшего количества щупалец.
Эти фенотипические адаптации контролируются, среди прочего, специфическим процессом развития — Wnt-сигнальным путём. «Экспериментально выключая гены среды Eco1 и Eco2, мы смогли доказать, что они могут подавлять Wnt-сигналы у Hydra», — говорит первый автор доктор Ян Таубенхайм. Таким образом, внешние факторы, такие как температура или отсутствие естественного микробиома, напрямую влияют на генетическую регуляцию индивидуальной программы развития и, следовательно, на формирование тела.
Видоспецифичные гены преобразуют влияние среды
Эффекты фенотипической пластичности можно проследить до генов, специфичных для Hydra, которые регулируют адаптацию к внешним воздействиям у этого организма. Исследование демонстрирует важность такой генетической информации, также известной как «гены-сироты» из-за отсутствия соответствующих генов у других видов.
«Наша работа раскрывает примерный механизм, лежащий в основе этого распознавания внешних факторов. Таким образом, мы смогли продемонстрировать, какие внутренние процессы в конечном итоге приводят к адаптации программы развития живого существа в ответ на его среду», — говорит соавтор профессор Томас Бош из Кильского университета, руководитель CRC 1182.