Эмбрионы могут «впадать в спячку» — и ученые выяснили, почему
Состояние, когда в организме затормаживается обмен веществ или останавливается формообразование, называют диапаузой. Это, например, спячка животных или задержка в стадии гусеницы для бабочек, пережидающих зиму. Еще один вариант — когда организм задерживается на начальной стадии развития. Эмбриональная диапауза известна как у растений (когда семя долго остается в состоянии покоя, не прорастая), так и у множества разных животных, от насекомых до крупных млекопитающих, например, кенгуру.
В общих чертах ученые понимали, что эмбриональная диапауза у животных — это реакция на стресс, например, на голодание матери. Но теперь впервые удалось проследить, какие именно механизмы срабатывают на молекулярном уровне, и что именно может поставить развитие эмбриона «на паузу». Об исследовании китайских ученых, опубликованном в журнале Development, сообщает некоммерческая издательская организация The company of Biologists.
«Косуля — самое первое животное, у которого выявили эмбриональную диапаузу. Период беременности косули восемь месяцев, но эмбрионам от имплантации [в матку] до рождения требуется всего три месяца. Большую часть времени зародыши проводят в состоянии диапаузы, что совпадает с периодом холодов и дефицита пищи. Это гарантирует, что детеныши родятся в наиболее подходящее для выживания время», — рассказывают исследователи.
Недавние исследования показали, что у косули во время эмбриональной диапаузы более низкое содержание белка в маточной жидкости, но оно увеличивается при активации зародыша. Это указало ученым на связь с питанием в конкретный момент беременности: между оплодотворением яйцеклетки, уже вышедшей из яичников, и дальнейшим прикреплением ее к стенке матки.
Затем, при исследовании на мышах, им удалось установить связь с уровнем шести веществ в маточной жидкости: глюкозой, молочной кислотой лактатом, а также аминокислотами аргинином, лейцином, изолейцином и лизином.
Если в нужное время организм лабораторной мыши не мог поставлять достаточно белков и углеводов из-за голодания или удаления яичников, то запускался молекулярный процесс, приостанавливающий движение яйцеклетки внутрь матки. Дефицит аминокислот активировал белковый комплекс Gator1, который передает сигналы об уровне питательных веществ, позволяя клеткам согласовывать свой рост с поставкой «стройматериалов». Углеводное голодание активирует другой сенсор питательных веществ — Tsc2, о котором ранее было известно, что он предотвращает опухолевую трансформацию клеток.
Вместе они подавляли развитие эмбриона, и оно приостанавливалось на раннем этапе, когда зародыш представляет собой полый клубок всего из нескольких десятков или сотен клеток. После того, как питание матери восстановится, процесс без вреда для плода может продолжиться дальше.
Эти результаты ученые затем подтвердили в искусственно созданной среде и проследив приостановку развития эмбриона мыши «в пробирке». А значит — смогли доказать, какие именно факторы окружающей среды и молекулярные процессы ведут к диапаузе.
Польза для людей
Следующий вопрос, на который предстоит ответить: почему дефицит именно этих питательных веществ так влияет на процесс развития плода и насколько полученные результаты применимы к человеку.
«Эмбриональная диапауза выгодна для размножения млекопитающих, так как позволяет сохранить потомство в ходе эволюции. Возможно, что виды млекопитающих, у которых сейчас нет эмбриональной диапаузы, сменили среду обитания — например, климат стал более теплым или вид мигрировал. А это могло привести к тому, что диапауза стала более короткой и вовсе незаметной. Однако молекулярные пути, которые связаны с ней, могут все еще сохраняться», — поясняют авторы исследования.
Если удастся доказать, что диапаузу реально активировать у людей, это может стать прорывом в борьбе с репродуктивными проблемами, отмечает портал EurekAlert со ссылкой на профессора Цяна Суня, руководившего исследованием.
Например, такой способ может оказаться более щадящим и эффективным, чем используемая сейчас заморозка эмбрионов. Ее выполняют, в частности, при процедурах ЭКО, чтобы сохранить искусственно оплодотворенную яйцеклетку до момента имплантации в матку. Но практика и исследования показывают, что современная технология переноса замороженных эмбрионов может увеличивать риск проблем во время беременности.
Кроме того, исследования, посвященные диапаузе, могут дать новую информацию для борьбы с онкологическими заболеваниями.
«Спящие раковые клетки, которые сохраняются после химиотерапии, напоминают "спящие" эмбрионы. Следовательно, мы предполагаем, что изучение механизма диапаузы может иметь положительные последствия для лечения рака и снижения вероятности рецидивов», — пояснил профессор Сунь.