Выдающаяся команда ученых из Института биологии развития имени Н.К. Кольцова РАН, Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН и при участии Сколтеха раскрыла тонкие механизмы работы генов в процессе превращения двух видов дрозофил: Drosophila melanogaster и Drosophila virilis. Работа была посвящена тому, как проходит смена экспрессии генов на разных стадиях жизненного цикла насекомых с полным метаморфозом – от яйца через личинку и куколку до взрослой формы. Полученные данные приоткрывают завесу над удивительными эволюционными успехами подобных существ и несут оптимистичные перспективы для биологической науки.
Преобразования природы: как гены управляют развитием
Мир насекомых поражает своей изменчивостью и многообразием. Сотни видов мух, жуков, бабочек и других существ ежедневно вспыхивают новой жизнью, проходя ряд удивительных фаз развития. На каждом этапе – будь то личинка, куколка или взрослая особь – включается свой, уникальный набор генов. Благодаря этому эти организмы легко приспосабливаются даже к самым необычным средам. В частности, дрозофилы, Drosophila melanogaster и Drosophila virilis, стали центральными объектами нового научного исследования, наглядно демонстрируя сложнейшие адаптационные механизмы.
Новая гипотеза: метаморфоз – это не песочные часы, а веретено
Ранее в науке широкое распространение получила теория «песочных часов», согласно которой наиболее сходные процессы активации генов между родственными видами приходятся на середину эмбриогенеза – своеобразное «узкое горлышко». Главной задачей исследователей стало выяснение, сохраняется ли подобное единство и на этапах метаморфоза у насекомых. По словам первого автора работы Александры Озеровой, ранее им уже удавалось провести параллели между эмбриогенезом и превращениями насекомых во взрослую форму. Однако свежие результаты внесли коррективы: оказалось, развитие дрозофил напоминает по структуре не «песочные часы», а веретено – к центру жизненного цикла разнообразие проявлений активности генов, напротив, возрастает.
Экспериментальные открытия: экспрессия генов на разных стадиях
Для получения детальных данных была проведена последовательная выборка образцов Drosophila melanogaster и Drosophila virilis во время их развития – с самых ранних эмбриональных фаз, через стадии личинки, разнообразные фазы куколки и вплоть до взрослой особи. При помощи биоинформатического анализа специалисты охарактеризовали паттерны активности тысяч генов у каждой дрозофилы. В центре экспериментальных наблюдений оказались гены, появившиеся относительно недавно в ходе эволюции. Примечательно, что максимальный всплеск их активности обнаружен именно на стадии средних фаз куколки: концентрация зрелых изменений и перестроек оказывается связана с молодыми генами, которые помогают насекомым успешно «перезапускать» свою физиологию при переходе к взрослой жизни.
Профессор Михаил Гельфанд, один из авторов исследования, отмечает, что именно новые гены вносят основной вклад в инновационные аппликации физиологических процессов, что может объяснять уникальную пластичность и адаптивные способности высокоорганизованных насекомых. Такой генетический «рывок» обеспечивает надежные механизмы для формирования органов и новых функций нужен для полноценной жизни взрослого существа.
Дрозофилы как модель успеха эволюции
Насекомые с полным превращением составляют одну из самых процветающих ветвей на Земле – ведь сюда входят жуки, мухи, комары, пчелы, муравьи и бабочки. Для человека многие из них могут быть либо полезны, либо вредны; однако понимание их метаморфоза на молекулярном уровне открывает потрясающие возможности в борьбе с вредителями без вреда для природы. Чем детальнее известны уязвимые периоды развития и характерные особенности генной регуляции, тем эффективнее можно разрабатывать инновационные средства для экологически безопасной защиты сельскохозяйственных культур и здоровья человека.
Перспективы для науки и практики
Раскрытие закономерностей экспрессии генов, происходящих в процессе жизненного цикла дрозофил, проливает свет не только на фундаментальные вопросы развития, но и расширяет горизонты для прикладных биотехнологий. Эволюция никогда не стоит на месте, а значит, глубокое понимание тончайших переходов на уровне ДНК – перспективный задел для создания новых методов защиты от вредителей и усовершенствования программ биологического контроля в экосистемах.
Вдохновляющие результаты работы Александры Озеровой, Михаила Гельфанда и их коллег свидетельствуют о невероятных возможностях российских ученых в освоении мира генов. Разгаданные тайны метаморфоза дрозофил обещают настоящие открытия в будущем и приносят оптимизм в борьбу с вызовами биологической эволюции и охраны окружающей среды.
Источник: scientificrussia.ru
