Автореферат (Ранние молекулярные и клеточные события формирования мезодермы у нереидных полихет)

На правах рукописиКозин Виталий ВладиславовичРАННИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И КЛЕТОЧНЫЕ СОБЫТИЯФОРМИРОВАНИЯ МЕЗОДЕРМЫ У НЕРЕИДНЫХ ПОЛИХЕТ03.03.05 – Биология развития, эмбриологияАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата биологических наукСанкт-Петербург – 2017РаботавыполненавФедеральномгосударственномбюджетномобразовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургскийгосударственный университет» на кафедре эмбриологииНаучный руководитель:Костюченко Роман Петровичкандидатбиологическихнаук,доцент,и.о. заведующего кафедрой эмбриологии, ФГБОУВОСанкт-ПетербургскийгосударственныйуниверситетОфициальные оппоненты:Воронежская Елена Евгеньевнадоктор биологических наук, ведущий научныйсотрудник лаборатории нейробиологии развития,ФГБУН Институт биологии развития имениН.К.

Кольцова РАНЗайцева Ольга Викторовнадоктор биологических наук, доцент, заведующаялабораториейэволюционнойморфологии,ФГБУН Зоологический институт РАНВедущая организация:ФГБОУ ВО Московский государственныйуниверситет имени М.В. ЛомоносоваЗащита состоится «___» __________ 2017 г. в ___ часов на заседаниидиссертационногосоветаД.212.232.12приСанкт-Петербургскомгосударственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург,Университетская наб. 7/9, Санкт-Петербургский государственный университет.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М.ГорькогоСанкт-Петербургского государственного университета и на сайте СПбГУ:https://disser.spbu.ru/files/disser2/disser/ZvVpHX1b9c.pdfАвтореферат разослан «___» __________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д.212.232.12,доктор биологических наукЛ.А.

МамонОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность и степень разработанности темы исследования. Сегрегациязародышевых листков и спецификация клеточных линий являются одним изфундаментальных свойств многоклеточных животных. Эти события раннегоразвития во многом предопределяют и будущий план строения в целом и его болеемелкие детали. Богатейший материал эмбриологических описаний на протяжениистолетий служил доказательной базой для эволюционных построений. Поискконкретных механизмов развития, начатый эмбриологами-экспериментаторами, вомногом обеспечил прогресс молекулярной и клеточной биологии прошлого века.Сегодня достижения молекулярно-генетической отрасли биологии делаютвозможным по-новому взглянуть на феномены индивидуального и историческогоразвития живых организмов.

Стало возможным и чрезвычайно востребованнымвсестороннее изучение не только ограниченного числа модельных объектов, но итех групп, в развитии которых существуют уникальные, а зачастую ипарадоксальные закономерности.К группе Spiralia в эмбриологическом понимании относят аннелид,моллюсков, немертин и плоских червей.

В основном все они характеризуютсястереотипным паттерном дробления с ранней сегрегацией зародышевых листков иклеточных линий, что внешне проявляется телобластическим способомформирования различных зачатков, в том числе и мезодермы. Потрясающийконсерватизм развития спиралий состоит в гомологии расположения и судьбымногих бластомеров у зародышей дальнеродственных животных. Вместе с тем, наболее поздних стадиях развития в ряду Spiralia наблюдается большое разнообразие,от паренхиматозных планарий с ресничной локомоцией до раковинных моллюсков,обладающих поперечнополосатыми мышцами. Даже в пределах типа Annelidaразвитие может включать стадию свободноживущей личинки трохофоры,превращающейся в процессе метаморфоза в ювенильного червя (как это происходиту “Polychaeta”) или быть прямым, когда из яйцевых оболочек вылупляется молодойчервь, а не личинка (как у олигохет и пиявок – представителей Clitellata).

Какобъяснить это противоречивое сочетание внешне единообразного высокодетерминативного эмбриогенеза и разительно отличающихся взрослых форм?Решать этот актуальнейший вопрос следует не только на морфологическом иклеточном уровне, но и с привлечением современных молекулярно-генетических ифункциональных методов анализа развития.Spiralia (в современной макрофилогении – синоним клады Lophotrochozoa)являются крупнейшей, но до сих пор скудно изученной в генетическом аспектеветвью Bilateria. Важнейшим эволюционным приобретением раннего развитиятрехслойных (=Bilateria) было обособление отдельного мезодермального листка.Молекулярной основой этой инновации считают вычленение миогенных факторовиз общей мезэнтодермальной программы, приобретение ими самостоятельности исамодостаточности с последующей дивергенцией сложившейся мезодермальнойгенной регуляторной сети (Martindale, 2005; Козин, Костюченко, 2016).

Какэволюционно более молодой, мезодермальный листок имеет наибольшуювариабельность в механизмах своего формирования в разных филогенетическихлиниях. Популярно мнение о том, что появление мезодермы в эмбриогенезе Bilateria3во многом обеспечило взрывообразный рост числа планов строения тела в раннемкембрии (Martindale et al., 2004; Burton, 2008).

Вместе с тем, такие принципиальныевопросы, как клеточные и молекулярные механизмы формирования мезодермы вэмбриогенезе и постларвальном развитии (при метаморфозе и регенерации) многихживотных, пока не нашли решения. Тем важнее становится комплексноесравнительное изучение развития именно мезодермы, что должно приблизить кпониманию путей эволюции и создания современного биоразнообразия.Клеткой-родоначальницейтуловищноймезодермы(энтомезодермы)большинства спиралий является второй соматобласт – 4d. В результате равногоделения 4d образуются два мезотелобласта, при пролиферации которых появляютсябилатерально-симметричные мезодермальные полоски (МП). В основном,представления о характере пролиферации и формообразования энтомезодермыспиралий основываются на описаниях небольшого числа объектов с экстраполяциейна всю группу, что нельзя признать обоснованным в современных реалиях.

Впоследние годы, с целью определения степени эволюционного консерватизмаразвития мезодермы, были детально изучены клеточные линии энтомезодермы унекоторых аннелид (Helobdella, Tubifex, Capitella, Platynereis) и моллюсков(Ilyanassa, Crepidula) (Rabinowitz et al., 2008; Meyer et al., 2010; Gline et al., 2011;Lyons et al., 2012; Fischer, Arendt, 2013). Эти работы сделали еще более явнымиразличия в раннем развитии мезодермы данных видов. Оказалось, что классическиепредставления, изложенные в учебных руководствах, несводимы и неприложимы кбольшинству известных к сегодняшнему дню паттернов развития.Кроме выяснения судьбы клеточных клонов и картирования зародышейSpiralia, в настоящий момент первостепенной задачей является идентификацияконкретных участников программ развития, обеспечивающих спецификацию ипоследующее паттернирование зародышевых листков.

Благодаря ряду разрозненныхисследований, в производных энтомезодермы – МП трохофоры – у моллюсковHaliotis и Ilyanassa была обнаружена дифференциальная экспрессия генов Mox,Nanos, Vasa, PL10 (Hinman, Degnan, 2002; Rabinowitz et al., 2008; Kranz et al., 2010),у полихеты Capitella – гомологов Twist, Hairy, Evx, Runx (Dill et al., 2007; Thamm,Seaver, 2008; Seaver et al., 2012), равно как Nanos и Vasa (Dill, Seaver, 2008). Большоевнимание уделяется возможному участию MAP-киназного сигналинга иканонического Wnt/β-катенинового пути в раннем развитии бластомеров смезодермальной судьбой (Lambert, Nagy, 2001; Henry, 2014).

Подобные пионерныеисследования очертили круг возможных молекулярных участников мезодермальнойгенной регуляторной сети у представителей Spiralia. Однако определенныхзакономерностей и очевидных гомологий пока выявить не удается, а поройпротиворечивость данных делает картину раннего развития спиралий еще болеезапутанной, чем казалось ранее. Очевидно, такая ситуация требуетцеленаправленного сравнительного изучения конкретных аспектов развития на рядеродственных объектов и более тщательный подбор новых модельных организмов.Одной из успешно разрабатываемых моделей среди Spiralia являютсянереидные полихеты (сем.

Nereididae), которые дошли до наших дней вотносительно малоизмененном состоянии и обладают множеством древнихпризнаков. Консервативными признаками, унаследованными от общего предка4билатеральных животных, принято считать раннекембрийское происхождение,обитание в морской среде, план строения сегментированного тела, амфистомию,определенный набор семейств генов, соотношение паттернов их экспрессии и рядособенностей организации генома.

Нереид часто называют “живыми ископаемыми”,подчеркивая их преимущества над эволюционно продвинутыми, но тщательнопроработанными в методическом плане модельными объектами – дрозофилой иCaenorhabditis elegans, которые независимо утратили некоторые древние признаки,сохранившиеся в измененном состоянии даже у позвоночных. Такая ситуацияделает нереид более предпочтительным объектом для изучения в сравнительномаспекте.

В этой связи относительно хорошо разработанными объектами средиполихет стали нереиды Platynereis dumerilii, Alitta virens (ранее – Nereis virens),Neanthes arenaceodentata (Fischer, Dorresteijn, 2004; Kulakova et al., 2007; Winchell etal., 2010). Для них созданы протоколы искусственного оплодотворения и получениякультур развития, а также адаптированы современные методы выявленияспецифических белков и мРНК у зародышей. На P. dumerilii в последние годыначали применять технологии трансгенеза и мутационного анализа, которыеестественно нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

Эти обстоятельства, атакже успешный многолетний опыт работы кафедры эмбриологии ЛГУ/СПбГУ нанереидах предопределил выбор объектов данного исследования.Цель работы – выявить клеточные и молекулярные основы развитиямезодермы у Spiralia на примере нереидных полихет Alitta virens и Platynereisdumerilii.Задачи:1.

Идентифицировать у нереид и описать структурно-функциональную организациюконсервативных генов, участвующих в развитии мезодермы (гомологи Twist, Mox,Evx, Vasa, PL10, Piwi).2. Изучить пространственно-временную экспрессию выделенных генов.3. Подобрать для нереид новые методы прижизненного и функционального анализагенов интереса для дальнейшего изучения их роли в развитии мезодермы.4. Раскрыть возможную роль MAP-киназного сигналинга в спецификации иморфогенезе мезодермы.Научная новизна. Работа выполнена с привлечением широчайшего спектрасовременных методик, с совершенствованием и проверкой новых техническихприемов. Комплексный анализ проблемы достигнут сочетанием описательныхморфологических, молекулярно-генетических и функциональных подходов.