Развитие нервной системы и иммунитета у насекомых контролируется одним и тем же белком

Каждая нервная клетка имеет десятки и сотни отростков, которые в ходе индивидуального развития соединяются в строго определенном порядке. Как отростки нейронов находят друг друга и что позволяет им не ошибиться? Оказалось, что важную роль в этом играет иммунологический механизм различения «своих» и «чужих». Изображение с сайта strangepaths.com

В ходе развития организма нейроны должны как-то отличать свои собственные отростки от чужих, чтобы образовывать межнейронные контакты (синапсы) в правильных местах. Оказалось, что у насекомых это распознавание обеспечивается белком DSCAM, другая функция которого — иммунная защита. Каждый нейрон вырабатывает свои собственные варианты (изоформы) этого белка, что и позволяет нейронам узнавать друг друга. Открытие показало, что система идентификации по принципу «свой–чужой», основанная на вариабельных белках надсемейства иммуноглобулинов, играет ключевую роль не только в иммунитете, но и в развитии нервной системы.

«Элементы» уже писали об удивительном белке DSCAM (Down syndrome cell adhesion molecule), который относится к надсемейству иммуноглобулинов и присутствует на поверхности клеток как позвоночных, так и насекомых. Белок DSCAM отличается необыкновенной вариабельностью, которая достигается за счет альтернативного сплайсинга, то есть редактирования молекулы матричной РНК после того, как она «считывается» с исходного гена. Например, у дрозофилы на базе одного и того же гена DSCAM может быть синтезировано 38 016 разных, хотя и очень похожих, белковых молекул (их называют изоформами). Недавно было экспериментально показано участие DSCAM в иммунной защите у насекомых, причем разные инфекции приводят к синтезу разных сплайс-вариантов белка (подробнее обо всём этом см.: Раскрыта тайна иммунной системы насекомых, «Элементы», 27.06.2006).

Кроме того, было известно, что ген DSCAM необходим для правильного развития нервной системы (не случайно некоторые мутации в нём у человека ассоциированы с синдромом Дауна). Механизм участия DSCAM в индивидуальном развитии до сих пор был неясен, хотя общую «идею» нетрудно было угадать. Чтобы из делящихся клеток зародыша, которые все имеют одну и ту же заложенную в них «программу поведения» (геном), сформировалась не аморфная клеточная масса, а сложный организм, эти клетки должны знать, в какую сторону им расти или переползать, к кому приклеиваться, а от кого, напротив, отделяться. Для этого им нужно как-то узнавать друг друга, понимать, кто есть кто в их окружении. Такое взаимное узнавание клеток особенно важно в ходе развития нервной системы, чтобы отростки нейронов соединялись друг с другом правильным образом и формировали «правильные» нервные контуры и сети.

Что касается иммуноглобулинов, то они как раз и специализируются на выполнении задач такого рода, то есть на персональной идентификации и различении «своих» и «чужих». Поэтому можно было предвидеть, что для этих белков найдется работа не только в иммунной системе, но и в индивидуальном развитии и в других ситуациях, когда нужно разбираться, кто есть кто в клеточном или социальном окружении (о возможной роли иммуноглобулинов — белков ГКГ (главного комплекса гистосовместимости) в выборе брачных партнеров см.: Видообразование — личное дело каждого, «Элементы», 15.02.2006). Однако до недавнего времени никто не знал, каким именно способом белок DSCAM реализует эту функцию в ходе развития нервной системы.

В 2004 году у белка DSCAM было обнаружено поразительное свойство. Оказалось, что каждая изоформа этого белка обладает способностью к избирательному гомофильному связыванию. Это значит, что молекула данной изоформы «узнает» другую такую же молекулу и прочно связывается с ней, однако почти или вовсе не связывается со всеми остальными изоформами. Понятно, что эта особенность делает DSCAM идеальным молекулярным устройством для различения «своих» и «чужих» (self–nonself recognition). Оставалось выяснить, как это устройство используется при развитии нервной системы.

Биологи из Австрии и США, опубликовавшие результаты своих исследований в последнем номере журнала Nature, получили ответ на этот вопрос при помощи генной инженерии. Они создали три линии трансгенных мух (DSCAM^single), в каждой из которых ген DSCAM был радикально «упрощен». Из него были вырезаны все альтернативные наборы фрагментов-заготовок, кроме одного-единственного, разного в каждой из трех линий. Трансгенные мухи, таким образом, могли синтезировать только один вариант белка DSCAM вместо 38 016.

Внесенные в геном изменения оказались летальными. Все трансгенные мухи, у которых обе копии гена DSCAM были изменены (то есть гомозиготы), погибали на стадии личинки или куколки, и у этих личинок и куколок наблюдались серьезные нарушения в развитии нервной системы. Например, у нормальных мух в обонятельном отделе мозга имеются определенным образом расположенные узлы, к каждому из которых присоединяются отростки чувствительных нейронов, несущих один конкретный тип обонятельных рецепторов. У личинок-мутантов данный отдел мозга представлял собой беспорядочную массу нейронов, и отростки чувствительных клеток крепились к нему как попало. При этом ген DSCAM у этих личинок работал, и количество производимого белка DSCAM было таким же, как у здоровых насекомых. Результат был одинаков во всех трех трансгенных линиях.