Управление случайными генетическими изменениями на ранних стадиях развития организма

Учёные, исследующие способы контроля случайных колебаний генов на стадии формирования эмбрионов, идентифицировали контрольный переключатель в сегментационных часах развивающегося позвоночного — рыбки данио-рерио. Как сообщают исследователи в Cell Reports, их результаты могут помочь найти методы модуляции генетических сигналов для предотвращения врождённых дефектов или рака, корни которых закладываются на самых ранних этапах развития.

Междисциплинарная команда изучает системы развития на данио-рерио, потому что эти позвоночные имеют общие гены с человеком и являются идеальной моделью для исследования раннего развития человека, говорит главный исследователь проекта, Эртугрул Озбудак, Ph.D., сотрудник Отдела биологии развития Медицинского центра детской больницы Цинциннати.

В этом исследовании Озбудак и коллеги изучили развитие позвоночного на стадии сомитогенеза — когда вдоль передне-задней оси эмбриона формируются парные блоки клеток, называемые сомитами. У позвоночных сомиты дают начало более глубоким слоям кожи, хрящам, скелетным мышцам и т.д.

Исследователи подсчитали отдельные транскрипты (копии) генов в сегментационных часах данио-рерио. Они показали, что гены часов имеют очень низкую амплитуду РНК (рибонуклеиновой кислоты). РНК несёт генетические инструкции, управляющие белками и клетками, формирующими ткани. Авторы демонстрируют, что случайные вариации в генетических сигналах во время сомитогенеза контролируются не изнутри генов, а внешними источниками "шума", такими как влияние метаболизма.

Эти внешне обусловленные флуктуации в генной сигнализации подавляются сигнальным путём генов и белков Notch. Известно, что Notch действует как контрольный переключатель между расширением популяции клеток и их превращением в специфические типы тканей. Исследователи показывают, что он выполняет эту роль и во время сомитогенеза у данио-рерио.

"Наши результаты показывают, что вариабельность экспрессии генов контролируется балансом между временными задержками и периодами активной сигнализации клеток в ткани позвоночного", — говорит Озбудак. "Дальнейшие исследования должны пролить свет на точность естественных часов развития у животных и человека, и это может вдохновить на создание надёжных синтетических осцилляторов, которые помогут предотвратить некоторые врождённые дефекты или рак".

Взгляд в будущее

Хотя потенциальная клиническая польза от этого исследования может быть реализована лишь через годы, эта работа открывает перед учёными новые возможности для изучения того, как формируется жизнь, и того, как эти новые знания могут положительно повлиять на здоровье.

Например, в контексте предотвращения рака. Во время эмбрионального развития Notch активно работает как активатор генов семейства Hes, по словам Озбудака. Известно, что гены Hes меняют свою сигнализацию во время раннего развития позвоночного столба, а также в других тканях.

Дерегулированные гены Hes также высоко экспрессируются при нескольких типах рака у человека, включая рабдомиосаркому — рак соединительных тканей тела. Способность осциллировать и контролировать экспрессию генов на самых ранних стадиях развития поднимает вопрос: возможно ли остановить раннюю генетическую программу при формировании эмбриона, которая может вызвать рак спустя годы после рождения человека.