Как гидра регенерирует голову

Гидра (Hydra), представитель типа стрекающих, — популярный модельный организм для изучения механизмов регенерации. У гидры может регенерировать даже головной отдел тела. В верхней части этого отдела, в гипостоме (ротовом конусе), находится регуляторная зона, известная как головной организатор. Этот организатор контролирует сохранение плана строения в условиях постоянных делений клеток эпидермы и эктодермы, покрывающих ствол тела, а также почкование.

Ученые из Калифорнийского университета в Ирвайне (США) детально изучили процесс регенерации головы на уровне генной экспрессии. Ранее было показано, что важную роль в регенерации головы у гидра играет сигнальный путь Wnt, а для формирования головного организатора необходим β-катенин. Задействован в регенерации головы и сигнальный путь Notch. Авторы новой работы изучили изменения паттернов экспрессии генов в области гипостома во время регенерации головы. Кроме того, с помощью ATAC-seq они получили карту открытых участков хроматина в первые 48 часов регенерации. С помощью иммунопреципитации хроматина с последующим секвенированием (ChIP-seq) авторы определили распределение эпигенетических меток H3K4me2, H3K4me3 и H3K27ac, ассоциированных с энхансерами и промоторами.

Работа проводилась на гидре обыкновенной (Hydra vulgaris). Прежде чем изучать динамику экспрессии генов, авторы получили данные о генной экспрессии в различных отделах тела взрослой гидры. В гипостоме, в отличие от других отделов, наблюдалась апрегуляция генов, задействованных в активности рецепторов, сопряженных с G-белком, транспорте иона калия, сигнальном пути Wnt и фосфорилировании пептидил-тирозина. Ученые предположили, что эти гены вовлечены в поддержание головного организатора взрослой гидры.

Для анализа динамики экспрессии генов в процессе регенерации гидру разрезали и отбирали образцы в определенных временных точках в течение 48 часов регенерации и 72 часов почкования. В это время регистрировались изменения экспрессии 298 генов, формирующих восемь кластеров. В частности, в течение 4–12 часов регенерации головы наблюдалась апрегуляция кластера, включающего гены Wnt-пути.

Ученые также определили расположение 3 018 предполагаемых энхансеров и 9 998 предполагаемых промоторов в геноме гидры. Часть из них подвергались ремоделированию хроматина в течение времени наблюдения. Кроме того, в области энхансеров, вовлеченных в процесс регенерации головы, обнаружены участки связывания определенных факторов транскрипции, которые регулируют процессы развития. В общей сложности ученые выявили 27 137 регуляторных элементов, вовлеченных в регенерацию головы.

Основываясь на полученных результатах, авторы делают вывод, что эволюция сложных энхансеров, регулирующих процессы развития, началась еще до разделения стрекающих и двусторонне-симметричных животных.