ERK1/2 является наследственным организующим сигналом спирального расщепления.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2286 (2022) Цитировать эту статью

2375 Доступов

3 цитаты

36 Альтметрика

Подробности о метриках

Развитие животных классифицируется как условное или автономное в зависимости от того, задается ли судьба клеток посредством индуктивных сигналов или материнских детерминант соответственно. Тем не менее, как развивались эти два основных способа развития, остается неясным. Во время спирального дробления — стереотипного эмбриогенеза, предкового для 15 групп беспозвоночных, включая моллюсков и кольчатых червей — большинство линий определяют клеточные судьбы условно, в то время как некоторые определяют первичные осевые судьбы автономно. Чтобы определить механизмы, вызывающие эти изменения, мы изучаем Owenia fusiformis, условно кольчатые черви с ранним ветвлением. В Owenia ERK1/2-опосредованная передача сигналов рецептора FGF специфицирует энтомезодермальный предшественник. Эта клетка, вероятно, действует как организатор, индуцируя мезодермальные и постеродорсальные судьбы в соседних клетках и репрессируя передние сигналы. Организующая роль ERK1/2 у Owenia присуща моллюскам, но не автономным кольчатым червям. В совокупности эти находки подтверждают, что условная спецификация эмбрионального организатора ERK1/2+ является наследственной при спиральном дроблении и неоднократно терялась в линиях кольчатых червей с автономным развитием.

Придание первым эмбриональным клеткам более ограниченной судьбы развития (например, энтодермы, нейроэктодермы и мезодермы) является ключевым шагом в эмбриогенезе животных, который приводит к установлению планов тела и влияет на последующее развитие1,2,3. Чтобы определить эту раннюю пространственную организацию, эмбрионы животных комбинируют условные индуктивные межклеточные взаимодействия с асимметричным наследованием клеточно-автономных материнских детерминант1,2,4. Часто одна из этих стратегий развития является преобладающей, и поэтому эмбриогенез животных определяется как условный или автономный1,2,4. В ходе эволюции линии животных перешли между этими двумя основными способами спецификации клеточных судеб5. Однако, как происходят эти онтогенетические переходы, неясно, поскольку они часто совпадают с дополнительными вариациями в раннем эмбриогенезе (например, в паттернах дробления6,7), что затрудняет идентификацию причин изменений спецификации клеточных судеб.

Спиральное расщепление - это древняя и стереотипная программа раннего развития, характеризующаяся чередующимися косыми клеточными делениями, начиная с 4-клеточной стадии и далее, которая встречается среди групп беспозвоночных внутри Spiralia, включая моллюсков и кольчатых червей8,9 (Рис. 1a). Эмбрионы с спиральным расщеплением организуют судьбы клеток вокруг четырех эмбриональных квадрантов, называемых A-D, которые примерно соответствуют левой, вентральной, правой и дорсальной сторонам тела соответственно8,9. Хотя спиральное дробление часто изображается как хрестоматийный пример автономного развития2,4, эмбрионы со спиральным расщеплением определяют свою осевую идентичность либо условно, либо автономно, не влияя при этом на общую консервацию программы дробления и линий эмбриональных клеток8,9,10 (рис. 1б). В условном режиме спецификации клеточной судьбы индуктивные сигналы между клетками анимального полюса и одним вегетативным бластомером на стадии ~32–64 клеток передают последний дорсальной судьбе D11. Эта клетка будет действовать как эмбриональный организатор, инструктируя соседние клетки относительно определенной судьбы и устанавливая план тела животного (рис. 1б). Этот способ спирального расщепления широко распространен и, скорее всего, является предком Spiralia11,12,13 (но альтернативную гипотезу см. в Dohle14) (Рис. 1c). Однако некоторые линии моллюсков и кольчатых червей 11,12 определяют осевую идентичность посредством асимметричной сегрегации материнских детерминант на один бластомер на 4-клеточной стадии эмбриона 15,16,17 (Рис. 1b). Этот бластомер примет дорсальную судьбу D, и один из его потомков впоследствии будет действовать как эмбриональный организатор. Следовательно, наличие как условных, так и автономных способов развития у животных со спиральным расщеплением12 является идеальной системой для идентификации клеточных и молекулярных механизмов, лежащих в основе переходов спецификации клеточных судеб у эмбрионов животных. Однако механизмы, регулирующие спиральное расщепление и, как следствие, переключение режимов развития, плохо изучены.