Свободные пальцы имеют много очевидных преимуществ на суше, например, в передвижении и хватании, в то время как перепончатые пальцы типичны для водных или планирующих животных. Но и земноводные, и амниоты, к которым относятся млекопитающие, рептилии и птицы, могут иметь перепончатые пальцы. В новом исследовании из Японии ученые впервые показывают, что во время развития эмбриона некоторые виды животных обнаруживают присутствие атмосферного кислорода, что вызывает удаление межпальцевой перепонки. Их исследование опубликовано 13 июня в журнале Developmental Cell..
Земноводные - такие животные, как лягушки, жабы, саламандры и тритоны - формируют пальцы без перепонок за счет дифференциальных моделей роста между пальцами и областями между ними или межпальцевыми областями. Для сравнения, амниоты полагаются на гибель межпальцевых клеток или гибель клеток в перепонках между пальцами, механизм, который способствует большему разнообразию форм конечностей.
«Мы обнаружили, что удаление межпальцевой перепонки в результате гибели клеток зависит от выработки активных форм кислорода (АФК), что происходит только у эмбрионов, подвергшихся воздействию достаточного количества кислорода во время развития», - говорит старший автор Микико Танака из Токийский технологический институт.
Поскольку высокий уровень кислорода может вызвать гибель клеток у лягушки, исследователи полагают, что этот механизм, вероятно, характерен для всех четвероногих - как амфибий, так и амниот. «Но земноводные не используют смерть клеток для формирования своих межпальцевых областей; именно разница в скорости роста между пальцевыми и межпальцевыми областями определяет их окончательные пропорции», - говорит она. «Мы думаем, что гибель межпальцевых клеток появилась у земноводных только как побочный продукт высокого уровня кислорода, первый шаг в этом эволюционном процессе. Этот новый шаг в конечном итоге был интегрирован в развитие конечностей и стал необходимым для формирования конечностей современных амниот».
В своем исследовании команда Танаки изучила эмбрионы нескольких видов. У куриных эмбрионов, амниот с межпальцевой гибелью клеток, изменение уровня кислорода напрямую влияло на количество умирающих клеток. Они также отметили, что увеличение количества кислорода в окружающей среде вызывает гибель межпальцевых клеток у африканской когтистой лягушки, амфибии, у которой обычно его нет. А увеличение плотности кровеносных сосудов в конечностях этих лягушек также вызывало гибель клеток.
Чтобы получить эволюционную перспективу, исследователи также изучили гибель клеток и АФК у двух других видов земноводных, японского огнебрюхого тритона и лягушки-коки. Как и у африканской когтистой лягушки, у японского огнебрюхого тритона отмирание межпальцевых клеток отсутствовало, но у лягушек-коки отмирали клетки в межпальцевых областях. Важно отметить, что в отличие от двух других амфибий, лягушки-коки растут без стадии головастика в наземных яйцах и дышат кислородом из воздуха.«Таким образом, мы показываем как экспериментально, так и сравнительно, что гибель межпальцевых клеток коррелирует со стратегией жизненного цикла и доступностью кислорода у четвероногих (четвероногих позвоночных)», - говорит Танака.
Исследователи объясняют, что межпальцевая область богата кровеносными сосудами, источником кислорода к тканям. Часть кислорода может быть преобразована в АФК. «Парадоксально, АФК традиционно считаются злодеями, такими как старение и бесплодие, - говорит она, - но становится ясно, что существуют физиологические уровни АФК, которые варьируются в зависимости от каждой клетки и регулируют несколько сигнальных путей во время развития и у взрослых. организм."
Команда считает, что есть два основных фактора, которые сделали межпальцевую область чувствительной к этому увеличению ROS - активная передача сигналов Bmp и ремоделирование кровеносных сосудов. В течение почти 20 лет Bmps описывались как ключ к индукции гибели клеток в конечностях амниот.«Однако этот путь также играет роль в формировании количества пальцев и суставов, а также активен в межпальцевой области амфибий», - говорит она. Точно так же ремоделирование кровеносных сосудов увеличивает доступ кислорода к конечностям и коррелирует с гибелью межпальцевых клеток у амниот, но является частью другого процесса: окостенения пальцев.
«Но интересно то, что, хотя и амниоты, и земноводные могут иметь как свободные, так и перепончатые пальцы, они сформированы по-разному в этих двух группах», - говорит Танака. «Новый механизм развития, приобретенный амниотами - гибель межпальцевых клеток - позволил эволюционировать большому разнообразию форм конечностей, таких как лопастные пальцы лысух и даже удаление некоторых пальцев у лошадей и верблюдов».
Заглядывая вперед, команда заинтересована в том, чтобы понять, какие именно пути регулируются ROS во время разработки. Они надеются выяснить, как гибель клеток стала неотъемлемой частью развития конечностей амниот в ходе эволюции. Они также надеются получить представление о том, как препараты, которые могут привести к чрезмерному производству АФК, такие как этанол, фенитоин и талидомид, могут вызывать дефекты развития у людей.