Ученые изучили эмбриональную диапаузу.

Американские биологи разобрались в том, что происходит в зародышах рыбок-нотобранхов во время диапаузы — остановки развития, которая нужна, чтобы пережить неблагоприятные условия. В таком подвешенном состоянии эмбрионы проводят больше времени, чем за всю последующую взрослую жизнь, однако никак за время диапаузы не страдают. Ученые выяснили, что их клетки остаются активными, однако в них прекращается работа генов, связанных с развитием. Судя по всему, за это отвечают белки группы Polycomb, которые избирательно подавляют работу генов. Исследование опубликовано в журнале Science.

В животном мире известно немало способов притормозить активность организма — например, чтобы пережить засуху или холода (о некоторых мы рассказывали в тексте «Вечером мы погрузимся в спячку»). Некоторые из них лишь незначительно замедляют обмен веществ (как торпор у млекопитающих). Другие позволяют полностью остановить большинство химических реакций в организме — так делают многие беспозвоночные, вроде тихоходок, рачков и комаров, что позволяет им переживать действие сразу множества повреждающих факторов, включая перепады температуры и радиацию. В таких случаях организм как бы замирает во времени — по крайней мере, следов старения у тихоходок на выходе из этого состояния до сих пор не обнаружили.

Среди позвоночных удобным объектом для изучения диапаузы (как и старения) стала рыба нотобранх Фурцера (Nothobranchius furzeri) из юго-восточной Африки. В ее жизни то и дело встречаются периоды суровой засухи, на время которой зародыши рыб останавливаются в развитии. Это происходит на середине эмбриогенеза: к наступлению диапаузы у них обычно уже сформированы некоторые органы, например, сердце и мозг. Как правило, диапауза у нотобранхов длится около 5 месяцев — примерно столько же, сколько и полная жизнь взрослой особи. В некоторых случаях эмбрионы могут жить «на паузе» до 10 месяцев или даже 2 лет. Исходя из этих данных можно предположить, что нотобранхи не стареют за время своей диапаузы, однако до сих пор было неясно, что на самом деле при этом происходит в их клетках.

Группа ученых под руководством Анны Брюне (Anne Brunet) из Стэнфордского университета начала свою работу с нотобранхами с того, что проверила, насколько диапауза влияет на их дальнейшую жизнь. Они разводили рыбок в лаборатории в одинаковых условиях, но несмотря на это, около 70 процентов эмбрионов входили в диапаузу. Проследив за их жизнью после выхода из нее, ученые заметили, что существенной разницы между теми, кто развивался непрерывно, и теми, кто останавливался на время, нет: они вырастали одного размера, приносили одинаковое число потомства и не различались по продолжительности жизни (везде p > 0,05). Из этого исследователи заключили, что диапауза является в некотором роде защитой от старения, коль скоро время, проведенное в ней, «не засчитывается» за время жизни.

Тогда авторы работы сравнили работу генов у эмбрионов до, после и на разных стадиях диапаузы (ее наступление определяли по замедлению сердцебиения). Оказалось, что по набору активных генов легко отличить эмбрион до диапаузы от эмбриона на разных стадиях (3, 6 или 30 дней диапаузы) и от обычного зародыша, который не вошел в диапаузу вообще. Количество продуктов (РНК-копий) от 33 процентов генов в диапаузе изменилось более чем в два раза. При этом работа генов, связанных с делением клеток и развитием, была в основном подавлена. Исключение составили мышцы: гены, которые отвечают за их рост, наоборот, стали интенсивнее работать в начале диапаузы, и слабее — в конце. Кроме того, в диапаузе стали активнее гены аутофагии — процесса внутриклеточного переваривания и обновления. Таким образом, оказалось, что диапауза — это активное состояние, в ходе которого клетки перестраивают свою работу и обмен веществ.

Среди 10 генов, работа которых сильнее всего активировалась во время диапаузы, 3 оказались связаны с системой Polycomb — это группа белков, которые навешивают метильные метки на гистоновые белки в определенных участках ДНК и таким образом регулируют работу этих участков. Однако исследователи выяснили, что дело не в количестве метильных меток: на генах, связанных с развитием зародышей, метки сохранялись в течение всей диапаузы. Таким образом клетки поддерживали свою специализацию и тканевую принадлежность. Судя по всему, изменения происходили на следующем этапе процесса — в работе белков, которые реагируют на метильные метки и запускают или подавляют работу генов.

Один из таких белков, CBX7, оказался особенно активен в диапаузе. С помощью генетического редактирования и CRISPR/Cas9 ученые создали мутантных рыбок, лишенных гена CBX7. Оказалось, что они способны развиваться, однако после месяца диапаузы их мышцы начали разрушаться, поэтому они не смогли провести в ней так много времени, как остальные, и вышли из нее досрочно. После этого они остались жизнеспособными, но пока неясно, как дефект в гене CBX7 сказывается на жизни взрослых нотобранхов.

Таким образом исследователи обнаружили, что диапауза у рыб — это не полная остановка жизненных процессов, а переход в особенный режим работы клеток. В этом режиме развитие притормаживается, но усиленно работают процессы внутриклеточной «уборки», которые позволяют организму не стареть за время, проведенное в диапаузе. Пока неясно, можно ли эти механизмы как-то применить для того, чтобы замедлить старение взрослого организма, однако «притормозить развитие» кажется более реалистичным методом, чем «полностью остановить процессы жизнедеятельности», как это делают беспозвоночные.

Ранее ученые присвоили нотобранхам титул рекордсмена по скорости полового созревания среди позвоночных. А продлить их короткую жизнь исследователи смогли, подкармливая рыб фекалиями их младших сородичей.