Губки являются древнейшими многоклеточными животными и обладают уникальной структурной пластичностью, обеспечивающей регенерацию всего организма из диссоциированных клеток. В ходе морфогенеза клетки губок способны к дедифференцировке и трансдифференцировке [1] и напоминают в этом отношении стволовые клетки млекопитающих. Однако факторы, регулирующие морфогенез губок, остается неизвестными. В опубликованной статье коллектив исследователей из ИБР РАН, МГУ и Казанского ФУ изучал методами транскриптомного и протеомного анализа морфогенез у губок Halisarca dujardini и Halichondria panicea, обитающих в акватории Белого моря, на модели формирования примморфов из механически диссоциированных клеток. Интактные ткани губок, диссоциированные клетки после механического разрушения тканей и агрегаты клеток, полученные через 24 ч после инкубации диссоциированных клеток, анализировали методами транскриптомного и протеомного анализа. Схема опытов и результаты анализа экспрессии ряда метаболических факторов, связанных с обменом железа, в ходе диссоциации/реагрегации клеток показаны на Рис. 1.

Проведенный транскриптомный анализ позволил сделать вывод о том, что морфогенез у губок сопровождается изменением экспрессии белковых факторов, участвующих в обмене железа и в реакции на гипоксию. Другой важный вывод: биохимические пути, связанные с метаболизмом железа, характерные для современных высших животных, в том числе млекопитающих, возникли в глубокой древности. У губок обнаружены гомологи почти всех известных белков, участвующих в синтезе и транспорте гема (рис. 2). Сравнение скорости дивергенции аминокислотных последовательностей этих белков у 30 видов животных подтвердило высокую консервативность структуры большинства участников пути синтеза и транспорта гема. Интересно, что в геноме губок обнаруживаются помимо консервативных белок-кодирующих последовательностей также регуляторные элементы генов, связанных с обменом железа, характерные для млекопитающих. Так в нетранслируемой области мРНК ферритина, а также некоторых других белков губок, присутствуют "шпильки" железо-зависимого элемента (iron responsive element, IRE), с которыми связывается регулятор трансляции IRP1, отвечающий на изменения в концентрации ионов железа в клетке [2].

Важнейшую роль в клеточном дыхании играют белки-транспортёры кислорода - глобиновые белки, которые в качестве простетической группы включают гем, связывающий железо. Единственные глобиновые белки, обнаруженные в беломорских губках, это гомологи нейроглобина (NGB) и андроглобина (ADGB). Нейроглобин млекопитающих из-за своего большого сродства к кислороду способен защищать мозг в условиях гипоксии. Он считается наиболее древним белком, давшим начало другим глобинам [3]. Нейроглобин губок сохраняет все остатки, важные для взаимодействия с гемом, но имеет большую длину, чем NGB высших животных (~170 против ~150 а.к.). Более подробно о нейроглобине и его участии в эволюции клеточного дыхания можно прочесть в комментарии к статье в «Элементы.Ру» [4]. Андроглобин - более крупный белок (около 1300 а.к.), структура и роль которого ещё плохо изучена даже у модельных организмов. Среди белков, участвующих в ответе на гипоксию и контроле реактивных форм кислорода, у губок обнаружены три гомолога транскрипционных факторов HIFα - факторов, индуцированных гипоксией (открытие которых отмечено Нобелевской премией в 2019 г.) и один гомолог ARNT/HIF1β.

Транскриптомный и протеомный анализ клеток губок в процессах диссоциации/реагрегации показал, что биохимические пути метаболизма железа высших позвоночных имеют древнее происхождение. Консервативная природа факторов обмена железа согласуется с их важной ролью в процессах трансдифференцировки и дифференцировки клеток животных. Полученные результаты указывают на связь структурной пластичности морских губок с метаболизмом железа и его тонкой регуляцией.

[1] Sogabe S, Hatleberg WL, Kocot KM, Say TE, Stoupin D, Roper KE, et al. Pluripotency and the origin of animal multicellularity. Nature. 2019; 570: 519–522. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1290-4

[2] Anderson CP, Shen M, Eisenstein RS, Leibold EA. Mammalian iron metabolism and its control by iron regulatory proteins. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)—Molecular Cell Research. 2012;1823: 1468–1483.

[3] Roesner A, Fuchs C, Hankeln T, Burmester T. A Globin Gene of Ancient Evolutionary Origin in Lower Vertebrates: Evidence for Two Distinct Globin Families in Animals. Molecular Biology and Evolution. 2005;22: 12–20. pmid:15356282

[4] В становлении многоклеточности важную роль играет белок нейроглобин. https://elementy.ru/novosti_nauki/433619/

Новость подготовил ©Ким Адамейко
31.03.2020