Почему наше сердце находится слева, а печень справа? Определен ген отвечающий за расположение органов

Мутировавшая ДНК может вызвать деформацию органа или переместить сердце на другую сторону.

Цветной фронтальный снимок грудной клетки человека с неправильно расположенными органами

На рентгеновском снимке показан человек, сердце и другие органы которого находятся не в том месте, потому что асимметричное развитие ещё на стадии эмбриона пошло не так.

Снаружи люди приятно симметричны, с руками, ногами и глазами, которые соответствуют правой и левой сторонам. Но внутри все по-другому: наше сердце находится слева, а печень справа. Легкие и почки также асимметричны. Теперь исследователи определили ген, который помогает развивающимся органам найти свое правильное место.

Ученые выявили гены, которые нарушают первоначальную симметрию развивающегося эмбриона и помогают органам выбирать стороны. Способ, которым исследователи его отследили, был уникальным, говорит Дэниел Граймс, биолог из Университета штата Орегон, который не принимал в этом участия, но восхищается проведенной работой. Исследование может привести к лучшему пониманию того, почему у некоторых формирование органов происходит не так, как у большинства людей, сказал он.

Ученые, изучающие развитие человека, давно знают, что смещенное от центра расположение сердца и других органов связано с группой клеток, называемых клетками организаторами слева направо, которые временно формируется у раннего эмбриона. В 1998 году, основываясь на исследованиях проводимых на лабораторных мышах, японские ученые предположили, что закрученные реснички, волосоподобные придатки на подмножестве клеток организаторов, направляют эмбриональную жидкость влево, а не вправо, помогая органам формироваться в нужном месте. Поток активирует только определенные гены на левой стороне, изменяя то, что будет расти дальше. Позже исследователи обнаружили, что то же самое происходит у рыб и лягушек.

Но удивительно, что развивающиеся цыплята и свиньи не имеют таких клеток с ресничками, хотя их сердца все формируются в одном направлении. По словам Граймса, в литературе было много запутанных результатов, которые трудно согласовать. Он и другие считают, что эти так называемые подвижные реснички развились на ранней стадии эволюции животных, но были потеряны в ветвях генеалогического древа животных, ведущих к птицам и млекопитающим, таким как свиньи, но не к людям.

Бруно Реверсаде из Института генома Сингапура и Кристофер Гордон из парижского института задались вопросом, может ли это несоответствие указывать на способ отслеживания новых генов, ответственных за нарушение симметрии тела. Они и их коллеги искали гены, активные в период развития у мышей, рыб и лягушек, но неактивные на этой же стадии у свиней и птиц, где больше не было потока эмбриональной жидкость и, следовательно, эти гены были не нужны.

Исследователи обнаружили пять из этих генов, о которых они сообщили в журнале Nature Genetics. Реверсейд знал, что его команда находится на правильном пути, потому что уже было известно, что три из этих генов играют важную роль в потере симметрии, вызванной потоком эмбриональной жидкости. Из двух новых генов исследователи сначала сосредоточились на одном, называемом CIROP, который ранее никто не описывал.

Разработав этот ген для создания флуоресцентной метки в активном состоянии, ученые определили, что CIROP включался в течение нескольких часов, точно так же, как «клеточный органайзер лево-право», формировался в эмбрионах рыбок Данио, мышей и лягушек. Этот ген либо отсутствовал у кур, свиней и рептилий, либо имел так много мутаций, что исследователи не могли использовать редактор генов CRISPR для его восстановления. Когда они использовали CRISPR для деактивации этого гена у рыб и лягушек, определили, что CIROP необходим только на левой стороне эмбриона, чтобы обеспечить правильное формирование сердца, кишечника и желчного пузыря. Таким образом, ген, по-видимому, играет ключевую роль в создании условий для формирования этих органов только с одной или другой стороны.

По крайней мере один из каждых 10 000 человек рождается с органами в неправильном месте, деформированными или отсутствующими, от доброкачественных до смертельных патологий. Таким образом, Реверсаде и его команда секвенировали CIROP у 186 человек с различной степенью так называемой гетеротаксии. У двадцати одного человека из 12 семей была эта мутация.

“Эта работа ясно демонстрирует, что CIROP участвует в размещении человеческих органов”, — говорит Киосуке Синохара, клеточный биолог Токийского университета сельского хозяйства и технологий, который не участвовал в исследовании. Но пока неясно, можно ли использовать это открытие для профилактики или лечения гетеротаксии, говорит Реверсейд.

Синохара также доволен подсказками CIROP о том, как возникает асимметрия. Его последовательность, отмечает он, предполагает, что генный белок использует ионы цинка и действует вне клеток организаторов, помогая инициировать переход к асимметричному развитию.

Однако ещё остаётся много неопределенностей. Эммануэль Зенкер-Рави из Сингапурского агентства по науке, технологиям и исследованиям, а также ее коллеги не совсем понимают, как работает белок CIROP и с какими белками или генами он взаимодействует. «Но, — говорит Граймс, — это для следующей статьи». Исследования продолжаются.

Элизабет Пенниси

Лиз — старший корреспондент, освещающий многие аспекты биологии журнала Science .

Ссылки на исследование в тексте статьи.

Читайте также: