Ученые впервые детально описали молекулярный механизм, благодаря которому тело кольчатых червей разделяется на сегменты. Для этого авторы проследили за работой ключевых генов, отвечающих за сегментацию, на всех этапах развития червя-нереиса — от эмбриона до взрослой особи. Знание того, как организм в процессе развития разделяется на повторяющиеся модули, позволяет лучше понять эволюцию более сложных животных и человека, а также процессы восстановления тканей после повреждений. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Evolution and Development.
У большинства животных тело разделено на сегменты. Например, у дождевых червей оно состоит из множества одинаковых колец, у насекомых — из головы, груди, брюшка и членистых ног. Более того, разделение на сегментарные единицы лежит в основе формирования человеческой нервной системы, позвоночника, ребер и мышц туловища. Поэтому, исследуя, как тело разделяется на сегменты в процессе развития у модельных животных, можно понять, нарушения в каких механизмах приводят к врожденным патологиям сегментированных органов и тканей у человека.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) впервые детально описали молекулярный «сценарий», по которому у кольчатых червей формируется сегментированное тело.
«Мы выбрали удобную модель — червя-нереиса Alitta virens, гены развития которого очень консервативны и работают схожим образом у всех животных, включая позвоночных и человека», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Виталий Козин, кандидат биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник кафедры эмбриологии СПбГУ.
Авторы проследили, как работают ключевые гены, определяющие границы сегментов — engrailed и wnt1, — на всех этапах развития: от эмбриона до молодого червя. Для этого биологи использовали комплекс современных методов, которые позволили визуализировать в тканях те клетки, которые активируют синтез молекул РНК с генов engrailed и wnt1, а также выявить зоны в организме червя с наиболее активным клеточным делением.
В результате ученые получили детальный молекулярный «портрет» сегментации нереиса. Оказалось, что на самых ранних стадиях развития включается ген engrailed. При этом в теле червя оказывается несколько симметричных зон, где этот ген наиболее активен. Постепенно эти зоны вытягиваются и формируют поперечные полосы, в точности соответствующие будущим границам сегментов тела.
Ген wnt1 начинает работать несколько позже и изначально включается на заднем полюсе зародыша, но по мере развития червя зоны его активности, подобно гену engrailed, становятся похожи на полосы. При этом активность гена engrailed наблюдается как в передней, так и в задней части каждого формирующегося сегмента, а гена wnt1 — только в задней. Таким образом, зоны активности этих генов оказываются не просто рядом, а формируют сложную, перекрывающуюся архитектуру.
Зоны активности генов engrailed и wnt1 у нереиса Alitta virens на личиночной стадии. Источник: Kairov and Kozin / Evolution and Development, 2025.
Описанный процесс сильно отличается от того, как образуются сегменты у других животных, например, членистоногих (насекомых и ракообразных). У этой группы гены wnt1 и engrailed работают только в задней части каждого будущего сегмента, при этом зоны их активности находятся рядом, но не перекрываются. При этом еще 10–20 лет назад большинство ученых предполагали, что сегменты у червей и членистоногих эволюционно имеют общее происхождение, а значит, и формируются по одному механизму.
«Наши данные предоставляют самые убедительные на сегодняшний день аргументы в пользу того, что сегментированное тело — одно из самых успешных "изобретений" эволюции — возникало в разных ветвях древа жизни независимо, а не было унаследовано от одного общего сегментированного предка двустороннесимметричных животных (крупной группы, к которой относится и человек). В перспективе такие знания откроют дорогу для новых технологических решений, например, в регенеративной медицине. Понимание того, как природа "строит" и "ремонтирует" сложные многосегментные структуры тела, может помочь в разработке методов стимуляции регенерации тканей», — подводит итог Виталий Козин.
Изображение на обложке: схемы активности генов engrailed и wnt1 на разных стадиях развития нереиса Alitta virens. Источник: Kairov and Kozin / Evolution and Development, 2025.
Источник: РНФ
