XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение. Модельные организмы – это организмы, используемые в науке для исследования различных свойств и явлений живой природы. Это биологические виды, наиболее удобные для проведения экспериментов и изучения как-либо процессов живых систем. В качестве такого модельного объекта в биологических исследованиях часто выступает морской еж Strongylocentrotus purpuratus. Хоть и его содержание в лабораторных условиях является затруднительным, этот организм продолжает оставаться одним из ключевых модельных объектов биологии. С появлением новых генетических методов исследований морские ежи обрели новую популярность в изучении механизмов генетических взаимодействий, определяющих принцип развития и функционирования организма. Генетические исследования S. purpuratus позволяют расширить знания человека о разнообразии генетических механизмов, участвующих в адаптации к различным условиям среды, а также исследовать механизмы взаимодействия генома с окружающей средой.

Морской ёж является одним из старейших видов на планете, что позволяет ученым изучать эволюционные процессы и изменения в геноме. Данные, полученные из молекулярно-генетических исследований на морском еже, могут быть применены для более точного изучения молекулярных основ заболеваний и разработки новых методов лечения, а также позволяют расширить наши знания о генетике, механизмах защиты и способах адаптации к изменяющимся условиям. Такие исследования могут быть полезны для понимания принципов эволюции, сохранения биоразнообразия. Морской ёж обладает уникальной способностью к регенерации тканей и органов, что привлекает внимание исследователей к развитию новых методов восстановительной медицины.

Материалы и методы. Проведен поиск соответствующей литературы с помощью международных баз данных (Pubmed, E‑library, Cyberleninka), по ключевым словам, (морской ёж, Strongylocentrotus purpuratus, модельный объект, геном, исследования, биология, молекулярно-генетические исследования), были отобраны 9 основных источников.

Основная часть

Результаты. Strongylocentrotus purpuratus, также известный как пурпурный морской еж, является морским беспозвоночным, принадлежащим к классу Echinoidea. Это вид иглокожих, который обитает в северо-восточной части Тихого океана, от Аляски и Британской Колумбии до Канады [1].

Strongylocentrotus purpuratus имеет шаровидное тело, состоящее из твердого известкового панциря с многочисленными иглами. Имеется оральный и аборальный полюса. На нижней части тела расположен перистом, так как эти животные являются фильтраторами. За ротовым отверстием располагается пищеварительный тракт, создающий несколько извилистый канал, на противоположной стороне имеется анальное отверстие.

Амбулакральная система является важной частью анатомо-физиологии животного. Эта система Strongylocentrotus purpuratus выполняет большое количество функции (дыхательная, пищеварительная, двигательная, выделительная, осязательная и пр.) главной их них является гидравлическая локомоторная -характерная особенность исключительно Иглокожих.

Параллельно с амбулакральной проходит кровеносная система, у иглокожих она является нетипичной и вместо привычного состава крови у этих животных можно заметить систему, состоящую из лакун - полостей между органами и тканями, которые заполнены морской водой. Эта система позволяет морским ежам получать кислород и питательные вещества непосредственно из морской воды, а также удалять продукты обмена и углекислый газ.

У Strongylocentrotus purpuratus имеется простая нервная система, состоящая из нервного кольца и радиальных нервов, которые соединяют кольцо с органами чувств и мускулатурой. построенных по радиальному плану: нервное кольцо и радиальные нервные тяжи, которые отвечают за обработку сенсорной информации и регуляцию поведения. Радиальные нервы состоят из волокон, которые передают сигналы от нервного кольца к органам и обратно.

Образ жизни малоподвижный, питаясь планктоном, мелкими морскими животными и водорослями, морские ежи фильтруют воду без необходимости активного передвижения.

Морские ежи раздельнополы, половой зрелости достигают в возрасте двух лет, личиночные стадии и эмбриология Strongylocentrotus purpuratus вызывают особый интерес у исследователей. Являются долгожителями, их возраст может достигать 70 лет [2].

Геном морского пурпурного ежа количественно составляет всего четвертую часть от генома человека, хоть и кодирует примерно 23500 генов, разделяет с человеческим поразительное множество общих путей регуляции генов. Геном не избыточен (в 200-700 генах не обнаружены интроны, что является типичным признаком позвоночных [3]. Морские ежи также являются ближайшими живыми родственниками хордовых. Иммуная система содержит Toll-подобные рецепторы, и гены, кодирующие LRR.

Увеличение концентрации CO₂ влияет на экспрессию генов и фенотип пурпурного морского ежа. Концентрация углекислого газа также уменьшает размер его личинок, что может негативно сказаться на приспособленности личинок [3].

Морские ежи являются традиционным модельным объектом с 19 века, тогда их начали использовать в изучении эмбрионального развития с помощью микроскопа, за счет прозрачности яиц морского ежа удалось установить, что сперматозоиды фактически оплодотворяют яйцеклетки. Также исследователей того времени интересовала высокая способность этих беспозвоночных животных к регенерации, её степень в зависимости от возраста Strongylocentrotus purpuratus и условий существования объекта [4].

Этот организм был выбран в качестве модельного по многим объективным причинам, среди них:

• морских ежей легко размножить в лаборатории;

• легко получить синхронные культуры эмбрионов и индуцировать быстрый эмбриогенез;

• эмбрион прозрачный и имеет простую структуру.

В 2006 году был полностью расшифрован геном морского ежа [5]. В 2012 году был создан транскриптон и отредактированы гены ранее неточно аннотированные [6]. В связи с этим данный модельный объект все чаще стали применять как таковой в генетических исследованиях.

Сигнальный путь WNT у морских ежей регулирует эмбриогенез и гомеостаз, его нарушение вызывает соответствующие последствия, у людей нарушения этого же сигнального пути может приводить к раковым заболеваниям и диабету. Сравнительный анализ WNT Strongylocentrotus purpuratus и Homo sapience показал, что геном первого содержит не менее 90% гомологичных компонентов. Таким образом, эти анализы вносят новый вклад в эволюционную историю генов Wnt у животного, занимающего положение, которое позволяет лучше понять базальные свойства дейтеростомов [7].

Морской еж так же является моделью для изучения эпителиально-мезенхимального перехода in vivo. У людей ЭМТ приводит к фиброзу органов,прогрессировании опухоли и резистентности к традиционным таргетным методам лечения . Процесс EMT регулируется группой специфических факторов транскрипции, которые включают Zeb1 /Zeb2 и пр [8].

Strongylocentrotus purpuratus содержит общие с человеком механизмы контроля клеточного цикла и использует ортологи всех циклинзависимых киназ, за исключением CDK3 [9]. Кроме того, у морского ежа также был обнаружен ряд известных генов, участвующих в репликации ДНК, репарации и контрольной точке митоза.

Мобильные генетические элементы, играющие большую роль в изменении структуры генома, мутациях и масштабных хромосомных перестрйоках представлены и у S. Purpuratus. Транспозиционную активность этих генов можно изучать на данном модельном объекте.

Заключение. Морской еж является перспективным и уникальным модельным объектом для проведения молекулярно-генетических исследований благодаря своим уникальным характеристикам, таким как высокий уровень геномного полиморфизма и разнообразие генов, связанных с развитием и дифференцировкой. Изучение морских ежей может способствовать углубленному пониманию механизмов развития, старения и патогенеза, а также разработке новых методов в области биологии и медицины.

Список литературы:

1. Ricketts EF, Calvin J. Between Pacific Tides. 3rd Rev. edn. 1962 by J.W. Hedgpeth. XII 516. Stanford University Press, Stanford, CA. 1939

2. T.A. Ebert, J. R. Southon, 2003. Fish. Bull. 101, 915

3. Sodergren, E; Weinstock, GM; Davidson, EH; et al. (2006-11-10). "The Genome of the Sea Urchin Strongylocentrotus purpuratus". Science. 314 (5801): 941–952.

4. Reiter, Wolfgang. (2019). Karl Przibram: Radioactivity, Crystals, and Colors. Physics in Perspective. 21. 10.1007/s00016-019-00242-z.

5. Charles A. Ettensohn. (2017). Sea Urchins as a Model System for Studying Embryonic Development. Reference Module in Biomedical Sciences;

6. Q. Tu, R. A. Cameron, K. C. Worley, R. A. Gibbs, E. H. Davidson. (2012). Gene structure in the sea urchin Strongylocentrotus purpuratus based on transcriptome analysis. Genome Research. 22, 2079-2087;

7. Croce, J. C., Wu, S. Y., Byrum, C., Xu, R., Duloquin, L., Wikramanayake, A. H., et al. (2006). A genome-wide survey of the evolutionarily conserved Wnt pathways in the sea urchin Strongylocentrotus purpuratus. Dev. Biol. 300, 121–131. doi: 10.1016/j.ydbio.2006.08.045

8. Tulchinsky, E., Demidov, O., Kriajevska, M., Barlev, N. A., and Imyanitov, E. (2019). EMT: a mechanism for escape from EGFR-targeted therapy in lung cancer. Biochim. Biophys. Acta Rev. Cancer 1871, 29–39. doi: 10.1016/j.bbcan.2018.10.003

9. Fernandez-Guerra, A., Aze, A., Morales, J., Mulner-Lorillon, O., Cosson, B., Cormier, P., et al. (2006). The genomic repertoire for cell cycle control and DNA metabolism in S. purpuratus. Dev. Biol. 300, 238–251. doi: 10.1016/j.ydbio.2006.09.012