Wyłączenie na wczesnym etapie rozwoju myszy genu Tgfbr1 przypadkowo doprowadziło naukowców do stworzenia embrionu sześcionożnego ssaka. Ten nieoczekiwany wynik to efekt badań nad rdzeniem kręgowym, prowadzonych przez biologów z Instytutu Naukowego Gulbenkiana. Gryzoń z dwiema dodatkowymi kończynami zamiast genitaliów pokazuje kluczową rolę szlaku genowego w określaniu rozwoju pierwotnej struktury zawiązka.
– Nie wybrałem tego projektu, to on wybrał mnie – powiedział w rozmowie z „Nature News” dr Moisés Mallo z Instytutu Naukowego Gulbenkiana. Dr Mallo jest współautorem przełomowego artykułu „Tgfbr1 kontroluje plastyczność rozwojową między kończyną tylną a zewnętrznymi narządami płciowymi poprzez przebudowę ich krajobrazu regulacyjnego”, opublikowanego na łamach czasopisma naukowego „Nature Communications”.
Mysz z dodatkową parą nóg
Zespół badaczy z portugalskiego instytutu porównał 10–17-dniowe embriony myszy z funkcjonującymi wersjami omawianego genu Tgfbr1, który koduje białko receptora, z embrionami myszy pozbawionymi genu Tgfbr1. Tgfbr1 przyczynia się do powstania sygnału, który nadaje formującemu się ciału orientację od tułowia do ogona. Można powiedzieć, że aktywuje instrukcje mówiące „stwórz kończynę tylną” lub „stwórz zewnętrzne narządy płciowe” dla rozwijających się komórek.
Zarodek w trakcie wzrostu buduje struktury sekwencyjnie od głowy do ogona. Na wczesnym etapie rozwoju mechanizmy genetyczne przesuwają się z koncentrowania się na głowie na powiększanie tułowia i kładzenie podwalin pod główne układy narządów. Dopiero po zakończeniu tej fazy dochodzi do kolejnego etapu, w którym aktywacja genów w wielu warstwach tkanki wydłuża tułów, tworząc ogon. To właśnie ten moment okazał się kluczowy dla omawianych właśnie wyników badań.
Wspólny związek dla nóg i genitaliów
Uważa się, że kończyny tylne i zewnętrzne genitalia współczesnych czworonogów wywodzą się ze wspólnej grupy tkanek. Wyewoluowała ona, aby wytworzyć szeroką gamę struktur przystosowanych do wydajnego poruszania się w środowisku zajmowanym przez dany gatunek.
Podczas gdy tylne i przednie nogi mają wiele wspólnych genów, na tak wczesnym etapie procesu kończyny tylne i genitalia mają ze sobą jeszcze więcej wspólnego. Pojawiły się pewne sugestie, że wywodzą się one z tej samej początkowej struktury zwanej zawiązkiem. Tą nazwą określa się w biologii część organizmu we wczesnej fazie rozwoju. Zwykle to skupisko tkanek, z których rozwinie się narząd.
– Ciekawi nas, czy mechanizm związany z plastycznością rozwojową odkryty w naszej pracy pozwoli wyjaśnić brak kończyn tylnych u węży, mimo że są one obecne u większości jaszczurek – zastanawiają się badacze.
Przepis na nogi
Oba zawiązki – zarówno te, które mogą przekształcić się w genitalia, jak i te dające początek kończynom – wyrastają ze środka trzeciej warstwy tkanki tworzącej wczesny zarodek. Czyli z tzw. mezodermy. Naukowcy podejrzewają, że komórki zamieniające się w kończyny przepychają się przez otaczającą je tkankę. Możliwe, że otrzymują wówczas więcej komunikatów „stań się nogami”.
Naukowcy nadal nie znają dokładnego mechanizmu sprawiającego, że supresja, czyli blokowanie genu Tgfbr1 prowadzi do powstania dodatkowej pary nóg. Lepsze zrozumienie tych podstawowych procesów zapewni naukowcom dodatkowe narzędzia do radzenia sobie z wadami rozwojowymi i chorobami.
Lepsze zrozumienie rozwoju ciała
– Wykazaliśmy, że pomimo dużej odległości ewolucyjnej, wczesne zawiązki zewnętrznych genitaliów myszy zachowały zdolność do przekształcania się w kończyny tylne. W przypadku braku Tgfbr1 mezoderma generuje dodatkową parę kończyn tylnych kosztem zewnętrznych narządów płciowych – napisali badacze.
Dzięki temu udało się wykazać, że kończyny tylne i zawiązki narządów płciowych mają wiele wspólnych kluczowych czynników regulacyjnych. A gen Tgfbr1 kontroluje odpowiedź na te czynniki. – Nasza praca odkrywa niezwykłą plastyczność tkanek z potencjalnymi implikacjami dla ewolucji kończyn tylnych i genitaliów czworonogów. Identyfikuje też dodatkowy mechanizm aktywności Tgfbr1, który może również przyczyniać się do kontroli innych procesów fizjologicznych lub patologicznych – podsumowują badacze.
Źródło: Nature Communications.
