Высокие температуры могут привести к денатурированию белков внутри эмбриона — распад, который приводит к потере функции, неэффективному или денатурированному белку. Более того, денатурированные белки могут образовывать токсичные агрегаты. Понимание этого процесса имеет важные последствия для здоровья человека, поскольку такие белковые агрегаты являются признаком нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Паркинсона и Хантингтона.
Но что происходит, когда эмбрионы сталкиваются с температурами за пределами их оптимальной зоны, остается загадкой. «Никто не изучал экологический контекст термальной среды на ранних стадиях развития эмбрионов», — объясняет доктор Брент Локвуд, научный сотрудник Национального института здоровья при Университете Индианы.Локвуд изучал развивающиеся эмбрионы плодовой мухи, чтобы понять влияние температуры.
Дрозофилы используются, потому что их генетика хорошо известна, а маленькие мухи идеально подходят для клеточной микроскопии. «Вы можете наблюдать за развитием клеток в реальном времени под микроскопом — и получить представление о том, что происходит на самом деле», — говорит доктор Локвуд.Как было представлено на ежегодной конференции Общества интегративной и сравнительной биологии в Остине в 2014 году, Локвуд подвергает эмбрионы воздействию различных температур, чтобы определить, когда яйца достигают пороговой температуры, точки, при которой погибает более 50% эмбрионов. Он подвергает эмбрионы мух возрастом в один час возрастающему количеству тепла в течение 45 минут — процесс, называемый «тепловым шоком».
Затем он исследует клеточные процессы с помощью микроскопа, позволяя заглянуть внутрь клетки, чтобы точно определить, как температура влияет на развитие.Так что же происходит с клетками эмбриона, когда они сталкиваются с тепловым стрессом? Когда температура повышается, организационный центр клетки, цитоскелет, распадается. Актин и тубулин, ключевые белки, координирующие раннее развитие, распадаются.
Без правильной структуры эмбрионы больше не могут развиваться и поэтому погибают. При тепловом шоке эмбрионы теряют свой актиновый массив, тубулин дезорганизуется, а клетка теряет свою структуру, что фактически прекращает развитие эмбриона.
Эта работа дает уникальный взгляд изнутри на то, как температура влияет на развитие животных, помимо плодовых мушек. «Из-за высококонсервативной роли цитоскелета исследования д-ра Локвуда механизмов, которые поддерживают эти клеточные структуры во время теплового стресса окружающей среды, будут иметь значение для успеха многих видов», — объясняет доктор Кристи Монтут, доцент кафедры Биология в Университете Индианы, который также участвует в этом исследовании.Когда реальная температура окружающей среды резко возрастает, как вообще выживают мухиные яйца? Ответ может заключаться в том, что матери обеспечивают организм белками, облегчающими воздействие температуры.
Матери могут вводить белки теплового шока — специальные белки, которые эффективно связывают и «фиксируют» поврежденные белки, помогая им правильно складываться. Материнские белки теплового шока могут действовать как гарантия защиты эмбрионов от теплового шока до тех пор, пока они не смогут производить свои собственные белки.Следующим шагом исследования Локвуда является рассмотрение эффектов, выходящих за рамки отдельной клетки и отдельного человека.
Он планирует изучить, могут ли мухи-мухи из более жарких мест передать своему потомству лучшую способность противостоять тепловому стрессу. Если окружающая среда достаточно жаркая, естественный отбор должен отдавать предпочтение матерям, которые производят защитные белки, или матерям, откладывающим яйца в более прохладных и темных местах.