D-серин регулирует деградацию хвоста у личинок асцидий

Аминокислоты делятся на L- и D-изомеры. В живых организмах преобладают L-аминокислоты, именно из них состоят белки. Однако некоторые функции в клетке и организме выполняют D-аминокислоты. Так, D-серин занимает важное место в метаболизме позвоночных. Он участвует в восстановлении поврежденной кожи, минерализации костей и служит нейромедиатором в центральной нервной системе. Роль D-серина в организмах беспозвоночных и низших хордовых, таких как оболочники, мало изучена. Ученые из Японии смогли описать новую функцию этой D-аминокислоты в жизненном цикле асцидии.

Исследователи проследили за метаморфозом асцидий рода Ciona. В норме свободноплавающая личинка Ciona закрепляется на субстрате с помощью присоски. После этого она теряет свой хвост и переходит к неподвижному образу жизни. Ранее исследователи обнаружили, что выключение гена прогормонконвертазы 2 нарушает этот процесс, причем подавление прогормонконвертазы 2 снижает экспрессию другого гена — Ci-SRR3.

Белок Ci-SRR3 оказался рацемазой — ферментом, способным синтезировать из L-серина D-серин. В геноме асцидии присутствует три похожих гена, однако только Ci-SRR3 экспрессируется в метаморфозе личинки. Ингибирование Ci-SRR3 с помощью антисмыслового морфолинового олигонуклеотида приводило к снижению концентрации D-серина и вызывало нарушения в процессе регрессии хвоста. Тем не менее общий метаморфоз асцидии не нарушался — взрослые особи развивались нормально, хотя у них оставался хвост.

Затем ученые заметили, что у личинок с нарушением функции Ci-SRR3 не формировался специальный карман под эпидермисом, куда должны мигрировать клетки хвоста. Они решили проверить, какова роль D-серина в этом процессе. Оказалось, что добавление аминокислоты запускало формирование кармана. Более того, эффект D-серина не зависел от состояния личинки — он действовал как на прикрепленных, так и на не прикрепленных к субстрату особей.

Исследователи предположили, что для формирования кармана требуется приток клеточной жидкости и развитие отека. По их мнению, это происходило за счет активной секреции внутриклеточных везикул. Чтобы проверить свою гипотезу, они заблокировали секреторный путь клеток с помощью брефельдина-А. Независимо от уровня D-серина в обработанных личинках карманы не формировались. Впоследствии оказалось, что D-серин вызывал секрецию везикул только в эпидермальных клетках хвоста и таким образом регулировал формирование кармана.

Следующий интересный вопрос — механизм действия D-серина на эпидермальные клетки. Было известно, что эта аминокислота способна взаимодействовать с рецепторами N-метил-D-глутамата (NMDAR). (Такие рецепторы есть, например, в нейронах млекопитающих; D-серин взаимодействует с ними как коактиватор, способствуя связыванию глутамата.) Исследователи провели серию экспериментов, в которых обрабатывали осевшие личинки тремя различными ингибиторами NMDAR. Во всех трех случаях кармана не формировалось. Дополнительная обработка D-серином никак не изменила ситуацию.

Оболочники — ближайшие родственники позвоночных, они тоже относятся к типу хордовых. Поэтому ученые решили найти параллель функций D-серина между позвоночными и асцидиями. Они предположили, что механизм формирования кармана у личинки асцидии сходен с механизмом регенерации кожи у позвоночных. В обоих случаях эпидермальные клетки содержат везикулы, а нокаут рацемазы приводит к нарушению их секреции. Более того, ингибиторы NMDAR предотвращают гиперплазию (разрастание тканей) у мышей, то есть приводят к тем же последствиям, что и в организме асцидий.

Ученые предполагают, что общий предок позвоночных и асцидий уже использовал D-серин как регулятор эпидермального экзоцитоза, а участие этой аминокислоты в метаморфозе оболочников возникло на более позднем этапе эволюции. Вероятнее всего, у асцидий после дивергенции с позвоночными произошла дупликация гена рацемазы. В ходе эволюции одна из копий приобрела специализацию и была задействована в метаморфозе.