Изображение: Wikimedia Commons
Ученые из Института сердечно-сосудистых заболеваний Гладстона проследили эволюцию четырехкамерного человеческого сердца до общего генетического фактора, связанного с развитием сердца у черепах и других рептилий.
Исследование, опубликованное в номере журнала Nature от 3 сентября, показывает, как конкретный белок, который включает гены, участвует в формировании сердца у черепах, ящериц и людей.
"Это первая генетическая связь с эволюцией двух, а не одной насосной камеры в сердце, что является ключевым событием в эволюции теплокровных," сказал исследователь Гладстона Бенуа Бруно, доктор философии, который руководил исследованием. "Задействованный ген, Tbx5, также участвует в врожденных пороках сердца человека, поэтому наши результаты также позволяют лучше понять болезнь человека."
С эволюционной точки зрения рептилии занимают критическую точку в эволюции сердца.
В то время как сердца птиц и млекопитающих имеют четыре камеры, лягушки и другие земноводные имеют три камеры. "Как сердца эволюционировали от трех до четырех камер?" Бруно сказал. "Различные рептилии предлагают своего рода континуум от трех до четырех камер. Изучая их, мы многое узнали о том, как обычно формируются камеры сердца человека."
Он объяснил, что с четырьмя камерами – двумя предсердиями и двумя желудочками – у людей и всех других млекопитающих потоки крови к легким и остальным частям тела полностью разделены, что важно для нас, чтобы быть теплокровными.
Когда дело доходит до рептилий, таких как черепахи и ящерицы, ведутся споры о том, есть ли у них один или два желудочка, которые являются насосными камерами. "Главный вопрос для нас, чтобы понять эволюцию сердца, состоял в том, чтобы определить истинную природу этих ранних желудочков рептилий и выяснить, что контролирует разделение сердца на левую и правую стороны," сказал доктор. Bruneau.
Чтобы лучше понять эволюцию сердца рептилий, доктор. Команда Бруно использовала современную молекулярную генетику для исследования Tbx5. Мутации в человеческом гене, кодирующем Tbx5, приводят к врожденным порокам сердца и, в частности, к дефектам межжелудочковой перегородки, мышечной стенки, разделяющей желудочек на две части. Tbx5 – фактор транскрипции, белок, который включает или выключает другие гены. У людей и других млекопитающих уровни Tbx5 высоки в левом желудочке и низкие – в правом. Граница высокого и низкого уровней проходит именно там, где образуется перегородка, разделяющая желудочек на две части. "На основании этих наблюдений," сказал доктор. Bruneau, "мы думали, что Tbx5 был хорошим кандидатом в качестве ключевого игрока в эволюции септации."
Команда изучила распределение Tbx5 у черепахи и зеленой ящерицы-анолита. На ранних стадиях формирования сердца у обоих рептилий активность Tbx5 обнаруживается по всей камере желудочков эмбриона. У ящерицы, образующей только один желудочек, этот паттерн остается таким же, как и сердце. Однако у черепахи, у которой есть примитивная перегородка, которая частично разделяет желудочки на левую и правую стороны, распределение Tbx5 позже постепенно ограничивается областью левого желудочка, что приводит к лево-правому градиенту активности Tbx5. Это означало, что градиент Tbx5 формируется у черепах позже и менее резко, чем у видов с прозрачной перегородкой, таких как млекопитающие, что дает заманчивую подсказку о том, как развивалась перегородка.
Затем они хотели определить, действительно ли Tbx5 был главным регулятором септации или просто сторонним наблюдателем. Мыши были генетически сконструированы так, чтобы экспрессировать Tbx5 на умеренном уровне во всем развивающемся сердце, как в сердцах черепах. Подражая рисунку черепахи, мышиные сердца теперь напоминали сердца черепахи. Потомство этих мышей умерло молодым и имело только один желудочек. Этот поразительный результат убедительно показал, что резкая линия, очерчивающая область с высоким уровнем Tbx5, имеет решающее значение для образования перегородки между двумя желудочками.
"Это действительно подчеркнуло важность Tbx5 в формировании паттерна сердца, позволяющем произойти перегородке," сказал доктор. Bruneau.
В ходе эволюции появились новые генетические регуляторные элементы, которые говорят гену Tbx5 формировать резкую границу экспрессии Tbx5. В результате образовалось два желудочка. Теперь исследователи будут работать над выявлением этих генетических регуляторных механизмов в процессе эволюции рептилий. Эта работа также имеет важное значение для понимания врожденных пороков сердца, которые являются наиболее распространенным врожденным дефектом у человека, возникающим в одном из каждых ста рождений во всем мире. Люди, рожденные с одной насосной камерой, напоминающей лягушачьи сердца, страдают самой высокой смертностью и нуждаются в обширной хирургической операции в качестве новорожденных.
"Наше исследование дает новые захватывающие взгляды на эволюцию сердца, которые не исследовались более 100 лет," Доктор. Бруно объяснил. "В более широком контексте это обеспечивает хорошую поддержку концепции, согласно которой изменения в уровнях экспрессии различных регуляторных молекул важны для эволюции. Благодаря этим исследованиям мы также надеемся понять, как возникают дефекты перегородки у людей с врожденными пороками сердца."
Источник: Gladstone Institutes (новости: в сети)