Дек 19, 2016 Расшифрован молекулярный механизм превращения трехкамерного сердца в четырехкамерное

Слева четырехкамерное сердечко обычного мышиного эмбриона на 12-й задевай развития. Справа трехкамерное сердечко генно-измененного эмбриона такого же возраста, у тот или другой был отключен ген Tbx5. ra правое предсердие, la левое предсердие, rv правый желудочек, lv левый желудочек, v неподразделенный желудочек трехкамерного сердца, ot выносящий тракт. Изображение из обговариваемой статьи в Nature

Возникновение четырехкамерного сердца у птиц и млекопитающих водилось важным эволюционным событием, благодаря тот или другой эти животные смогли встать теплокровными.

Слева четырехкамерное сердечко обычного мышиного эмбриона на 12-й задевай развития. Справа трехкамерное сердечко генно-измененного эмбриона такого же возраста, у тот или иной был отключен ген Tbx5. ra правое предсердие, la левое предсердие, rv правый желудочек, lv левый желудочек, v неподразделенный желудочек трехкамерного сердца, ot выносящий тракт. Изображение из обговариваемой статьи в Nature

Возникновение четырехкамерного сердца у птиц и млекопитающих имелось важным эволюционным событием, благодаря тот или иной эти животные смогли замерзнуть теплокровными. Детализированное исследование развития сердца у зародышей ящерицы и черепахи и сопоставление его с водящимися предоставленными по амфибиям, птицам и млекопитающим представило, что главную роль в превращении трехкамерного сердца в четырехкамерное сыграли конфигурации в занятию регуляторного гена Tbx5, тот или иной работает в вначале единичном зачатке желудочка. Ежели Tbx5 эспрессируется (действует) умеренно по целому зачатку, сердечко выходит трехкамерным, ежели только лишь с левой сторонки четырехкамерным.

Выход позвоночных на сушу был связан с развитием легочного дыхания, что вытребовало конструктивной перестройки кровеносной налаженности. У дышащих жабрами рыб один-одинехонек круг кровообращения, а сердечко, сообразно, двухкамерное (состоит из один-одинешенек предсердия и один-одинешенек желудочка). У наземных позвоночных 3-х- либо четырехкамерное сердечко и два круга кровообращения. Какой-то из них (небольшой) изгоняет кровь сквозь беглые, где она питается кислородом; потом кровь ворачивается к сердечку и попадает в левое предсердие. Великой круг обращает обогащенную кислородом (артериальную) кровь ко целым иным органам, где она дает кислород и по венам ворачивается к сердечку, попадая в правое предсердие.

У животных с трехкамерным сердечком кровь из обоих предсердий попадает в единичный желудочек, откуда она потом направляется и к свободным, и ко целым иным органам. При всем этом артериальная кровь в той либо другой ступени смешивается с венозной. У животных с четырехкамерным сердечком в ходе эмбрионального развития вначале единичный желудочек разделяется загородкой на левую и правую половины. В итоге два круга кровообращения оказываются вполне разбиты: венозная кровь попадает только лишь в правый желудочек и следует оттуда к свободным, артериальная только лишь в левый желудочек и следует оттуда ко целым иным органам.

Эволюция сердца позвоночных. А. Рыба: 1 венозный синус, 2 предсердие, 3 желудочек, 4 луковица аорты. Б. Амфибия: 1 правое предсердие, 2 левое предсердие, 3 желудочек, 4 артериальный конус, 5 левая кожно-легочная артерия, 6 правая дуга аорты, 7 сонные артерии. В. Рептилия: 1 правое предсердие, 2 левое предсердие, 3 желудочек, 4 внутрижелудочковая загородка, 5 правая легочная артерия, 6 правая дуга аорты, 7 левая дуга аорты, 8 левый боталлов проток, 9 легочные вены, 10 полые вены. Грам. Млекопитающее: 1 правое предсердие, 2 левое предсердие, 3 правый желудочек, 4 левый желудочек, 5 левая легочная артерия, 6 левая дуга аорты, 7 легочные вены, 8 полые вены. Источник: biology.bsmu.by

Формирование четырехкамерного сердца и полное сечение кругов кровообращения имелось нужной предпосылкой развития теплокровности у млекопитающих и птиц. Ткани теплокровных животных употребляют чрезвычайно максимум кислорода, оттого им нужна чистая артериальная кровь, очень насыщенная кислородом, а не перемешанная артериально-венозная, тот или иной наслаждаются холоднокровные позвоночные с трехкамерным сердечком (сантим..: Филогенез кровеносной налаженности хордовых).

Трехкамерное сердечко отличительно для амфибий и большинства пресмыкающихся, желая у крайних намечается частичное сечение желудочка на две количества (развивается неполная внутрижелудочковая загородка). Истинное четырехкамерное сердечко развилось самостоятельно в 3-х эволюционных чертах: у крокодилов, птиц и млекопитающих. Это рассчитывается один-одинешенек из ярчайших образцов конвергентной (либо параллельной) эволюции (сантим..: Ароморфозы и параллельная эволюция; Параллелизмы и гомологическая изменчивость).

Крупная группа исследователей из США, Канады и Стране восходящего солнца, опубликовавшая близкие результаты в бранном номере журнальчика Nature, задалась целью узнать молекулярно-генетические начала этого важного ароморфоза.

Творцы детально выучили развитие сердца у зародышей 2-ух пресмыкающихся красноухой черепахи Trachemys scripta и ящерицы анолиса (Anolis carolinensis). Рептилии (не считая крокодилов) доставляют особенный энтузиазм для вывода поставленной задачки, так как строение их сердца по почти всем признакам промежуточное меж обычным трехкамерным (этаким, как у амфибий) и реальным четырехкамерным, как у крокодилов, птиц и животных. Меж тем, по утверждению создателей статьи, вот теснее сто лет никто серьезно не изучал эмбриональное развитие сердца пресмыкающихся.

Исследования, сделанные на вторых позвоночных, до этого времени не пустили конкретного ответа на вопросец о том, какие генетические конфигурации обусловили формирование четырехкамерного сердца в ходе эволюции. Имелось, но, замечено, что регуляторный ген Tbx5, кодирующий белок регулятор транскрипции (сантим.. транскрипционные причины), по-различному действует (экспрессируется) в развивающемся сердечко у амфибий и теплокровных. У основных он умеренно экспрессируется по целому водящемуся желудочку, у вторых его экспрессия максимальна в левой количества зачатка, из тот или иной в предстоящем формируется левый желудочек, и мала справа. Обнаружилось также, что убавление активности Tbx5 ведет к недостаткам в развитии загородки меж желудочками. Эти факты дозволили творцам представить, что конфигурации в активности гена Tbx5 могли сыграть какую-то роль в эволюции четырехкамерного сердца.

В ходе развития сердца ящерицы в желудочке развивается мышечный валик, отчасти отделяющий выходное отверстие желудочка от его генеральной полости. Этот валик некими творцами трактовался как структура, гомологичная межжелудочной загородке позвоночных с четырехкамерным сердечком. Творцы обговариваемой статьи на базе исследования роста валика и его узкой структуры отклоняют эту трактовку. Они уделяют свое внимание на то, что таковой же валик кратковременно возникает и в ходе развития сердца куриного эмбриона вместе с истинней загородкой.

Заработанные творцами предоставленные свидетельствуют о том, что у ящерицы никаких структур, гомологичных истинней межжелудочной загородке, по-видимому, не формируется. У черепахи, против, формируется неполная загородка (вместе с наименее развитым мышечным валиком). Формирование данной для нас загородки у черепахи начинается намного позднее, чем у цыпленка. Тем более, выходит, что у ящерицы сердечко наиболее примитивное, чем у черепахи. Сердечко черепахи занимает промежуточное положение меж обычным трехкамерным (этаким как у амфибий и ящериц) и четырехкамерным, этаким как у крокодилов и теплокровных. Это противоречит общепринятым представлениям о эволюции и классификации пресмыкающихся. На базе анатомических признаков черепах обычно считали самой примитивной (базальной) группой посреди идущих в ногу со временем пресмыкающихся. Но сравнительный анализ ДНК, проведенный вблизи исследователей, разов за немедленно упорно указывал на близость черепах к архозаврам (группе, включающей крокодилов, динозавров и птиц) и на наиболее базальное положение чешуйчатых (ящериц и змей). Строение сердца подтверждает эту новейшую эволюционную схему (сантим.. набросок).

Схема схожих отношений и эволюции сердца у наземных позвоночных. Голубым цветом изображены области экспрессии гена Tbx5. Слева направо: лягушка, ящерица, черепаха, крокодил, курица, мышь, человек. Рис. из обговариваемой статьи в Nature.

Творцы выучили экспрессию пары регуляторных генов в развивающемся сердечко черепахи и ящерицы, в том числе гена Tbx5. У птиц и млекопитающих теснее на чрезвычайно ранешних стадиях эмбриогенеза в зачатке желудочков появляется резкий градиент экспрессии этого гена (экспрессия прытко убывает слева направо). Оказалось, что у ящерицы и черепахи на ранешних стадиях ген Tbx5 экспрессируется так же, как у лягушки, другими словами умеренно по целому водящемуся желудочку. У ящерицы этакая ситуация сохраняется до баста эмбриогенеза, а у черепахи на поздних стадиях формируется градиент экспрессии по существу таковой же, как у цыпленка, только лишь выраженный слабее. Другими словами, в правой количества желудочка активность гена равномерно понижается, а в левой остается высочайшей. Этаким образом, по нраву экспрессии гена Tbx5 черепаха тоже занимает промежуточное положение меж ящерицей и курицей.

Не секрет, что белок, кодируемый геном Tbx5, приходит регуляторным он регулирует активность почти всех вторых генов. На базе приобретенных предоставленных природно имелось представить, что развитие желудочков и закладка межжелудочковой загородки идут под управлением гена Tbx5. Ранее теснее имелось представлено, что убавление активности Tbx5 у мышиных зародышей ведет к недостаткам в развитии желудочков. Этого, но, имелось недостаточно, чтоб считать доказанной руководящую роль Tbx5 в формировании четырехкамерного сердца.

Для получения наиболее значительных доказательств творцы применяли немножко линий на генном уровне измененных мышей, у тот или иной в ходе эмбрионального развития ген Tbx5 можнож имелось отключать в той либо другой количества сердечного зачатка по вожделению экспериментатора.

Оказалось, что ежели выключить ген во целым зачатке желудочков, то зачаток даже не начинает разделяться на две половинки: из него развивается единичный желудочек без всяких следов межжелудочной загородки. Соответствующие морфологические признаки, по тот или другой реально отличить правый желудочек от левого самостоятельно от наличия загородки, тоже не формируются. Другими словами, достаются мышиные зародыши с трехкамерным сердечком! Этакие зародыши гибнут на 12-й задевай эмбрионального развития.

Надлежащий опыт состоял в том, что ген Tbx5 отключили только лишь в правой количества зачатка желудочков. Тем градиент концентрации регуляторного белка, кодируемого сиим геном, был резко сдвинут на лево. В принципе можнож имелось ждать, что в таковой ситуации межжелудочная загородка начнет формироваться левее, чем положено. Но этого не вышло: загородка не начала формироваться совсем, зато наметилось подразделение зачатка на левую и правую количества по остальным морфологическим признакам. Это означает, что градиент экспрессии Tbx5 не единый фактор, правящий развитием четырехкамерного сердца.

В товарищем опыте творцам удалось достигнуть, чтоб ген Tbx5 умеренно экспрессировался во целым зачатке желудочков мышиного эмбриона приблизительно так же, как у лягушки либо ящерицы. Это снова-таки привело к развитию мышиных зародышей с трехкамерным сердечком.

Заработанные результаты демонстрируют, что конфигурации в занятию регуляторного гена Tbx5 вправду могли сыграть не последнюю роль в эволюции четырехкамерного сердца, при этом эти конфигурации произошли параллельно и самостоятельно у млекопитающих и архозавров (крокодилов и птиц). Этаким образом, исследование снова подтвердило, что в эволюции животных главную роль играют конфигурации в активности генов регуляторов личного развития.

Разумеется, имелось бы еще занимательнее сконструировать этаких генно-измененных ящериц либо черепах, у тот или иной Tbx5 экспрессировался бы как у мышей и кур, другими словами в левой количества желудочка сильно, а в правой слабо, и поглядеть, не станет ли у их от этого сердечко главным образом схожим на четырехкамерное. Но это пока технически неосуществимо: генная инженерия пресмыкающихся еще не продвинулась так далековато.

Источник: