How flies get their size: genetics meets physiology
Bruce A. Edgar Nature Reviews Genetics 7, No 12, P. 907-916 (December 2006) | doi:10.1038/nrg1989
Body size affects important fitness variables such as mate selection, predation and tolerance to heat, cold and starvation. It is therefore subject to intense evolutionary selection. Recent genetic and physiological studies in insects are providing predictions as to which gene systems are likely to be targeted in selecting for changes in body size. These studies highlight genes and pathways that also control size in mammals: insects use insulin-like growth factor (IGF) and Target of rapamycin (TOR) kinase signalling to coordinate nutrition with cell growth, and steroid and neuropeptide hormones to terminate feeding after a genetically encoded target weight is achieved. However, we still understand little about how size is actually sensed, or how organ-intrinsic size controls interface with whole-body physiology.
Рис.1. | Endocrine communication between the organs involved in growth control.
Рис.2. | Control of growth during the final larval instar.
Как рост, размер и форма контролируются во время развития животных? Недавно появились новые перспективы в изучении этих проблем. Исследования на дрозофиле и др. насекомых позволили сформулировать гипотезу, объясняющую размеры тела, если не сложение и форму. Физиология контроля роста у насекомых конечно отлична от такового у млекопитающих, но гены и сигнальные пути оказались неожиданно сходными. Напр., передача сигналов insulin/insulin-like growth factor signalling (IIS) контролирует скорость клеточного роста, использование питательных веществ, размер клеток и размер тела как у мух, так и мышей, а пары steroid hormone-nuclear receptor регулируют переходные периоды жизни, которые затрагивают рост обоих. Здесь рассматриваются недавние находки, которые имеют отношение к контролю размеров тела у D. melanogaster, с учетом др. насекомых.
Insect development
Насекомые развиваются через последовательность личиночных стадий, называемых instars, которые прерываются линьками, во время которых животные сбрасывают свой старый экзоскелет и создают новый, боле крупный. После генетически предопределенного количества линек большинство животных вступают в стадию куколки, во время которой они подвергаются метаморфозу в свою взрослую репродуктивную форму. Во время метаморфоза недифференцированные клетки предшественники, большинство из которых называется имагинальными клетками, замещают старые, специфичные для личинок клетки, ремоделируют существующие органы и генерируют новые, такие как крылья, глаза, de novo. Насекомые с полным метаморфозом ('holometabolous' насекомые) включают общераспространенные виды с крыльями, такие как мухи (Diptera), бабочки и моли (Lepidoptera), муравьи и пчелы (Hymenoptera) и жуки (Coleoptera). Насекомые не растут , когда взрослые и их финальный размер может рассматривать в первом приближении как продукт скорости их роста во время личиночных фаз и продолжительности периода их роста1-3.
Critical weight and the ICG. Одна концепция, которая является центральной для данного обсуждения, это конечный размер (target size), который варьирует от вида к виду и, следовательно, генетически детерминирован. У holometabolous насекомых, первым проявлением конечного размера является предопределение к метаморфозу. Это происходит иногда после прохождения личинкой весового порога, который обозначается 'minimum viable weight', операционно определяемый как вес, при котором личинка может развиться во взрослую особь, когда пища полностью находится внутри. Этот порог впервые был распознан у D. melanogaster Beadle4 в 1930s, и его стали отличать от более биологически подходящего, называемого 'critical weight', спустя несколько лет5,6. Критический вес чаще всего определялся как вес, после которого кормление больше не влияет на время перехода к окукливанию, и лучше всего был изучен у личинок моли Manduca sexta7-9, крупной моли, которая является предпочтительной системой для изучения физиологии насекомых. У D. melanogaster накопление пищевых запасов в виде minimum viable веса ведет к задержке времени наступления окукливания5, и mimimum viable вес достигается на несколько часов раньше и он меньше, чем критический вес. Несмотря на это, т.к. minimum viable вес проще всего измерять экспериментально, он часто используется как замена термину критический вес, особенно в литературе по Drosophila10. Критический вес детерминируется прежде всего генотипом, причем затрагиваются многочисленные локусы10,11. У D. melanogaster, критический вес не зависит существенно от диеты4,6; медленно растущие личинки или личинки, которые временно голодают, просто достигают критического веса позднее. У M. sexta, однако, бедная диета, как было установлено, снижает критический вес8. Неясно, чем обусловлены эти различия.
Предоставляется некоторое время для личиночной физиологии насекомых. чтобы ощутить критический вес и затем инициировать поведение. которое ассоциирует с метаморфозом, включая прекращение питания. Личинки продолжают расти во время этого лаг-периода, обозначаемого как 'interval to cessation of growth' (ICG). Личинки Drosophila растут столь быстро, что они могут более чем в 4 раза увеличивать свой вес во время ICG, если они культивируются на богатой пище4. Следовательно, хотя нормальный сухой вес для взрослых D. melanogaster в лабораторной культуре составляет около 290 μg, а самые маленькие взрослые 35 μg могут быть получены при голодании личинок, предупреждающем рост во время ICG4. Траектории роста во время ICG широко варьируют между видами и возможно объясняют видоспецифическую вариабельность размеров. M. sexta, напр., почти удваивает свою массу во время ICG, даже если пища не лимитирована8. Скорость роста во время ICG является важным параметром, который контролирует финальный размер тела. Необходимо понять, как достижение критического веса ведет к началу метаморфоза и как детерминируется продолжительность фазы роста.
Growth-rate control
Скорости роста во время личиночного развития зависят от питания, температуры (Box 1), плотности животных в их среде12 и, конечно же, от генотип.
Nutrition. Развитие личинок Drosophila melanogaster завершается после 4-х дней на богатой пище при 25°C, но может удлиняться до нескольких недель при ограничении пищевого белка. Ничего неожиданного, что рост личинок может быть арестован удалением пищевого белка полностью. Подобное воздействие быстро арестовывает рост клеток и репликацию ДНК в большинстве дифференцированных специфичных для личинок тканей, но если минимальный viable вес достигается, то клетки предшественники, которые д. сформировать взрослых, продолжают расти и пролиферировать13, генерируя в конечном итоге маленьких, но во всем др. нормальных мух. Тот факт, что клетки могут расти внутри голодающих животных указывает на то, что гемолимфа (blood fluid) у таких животных не лишена критически питательных веществ. В самом деле, D. melanogaster и др. насекомые, как известно, сохраняют питательные вещества в гемолимфе, даже когда они голодают путем мобилизации хранилищ триглицеридов и гликогена в . Мобилизация питательных веществ обеспечивается индукцией метаболических нейропептидов, называемых (AKH), которые продуцируются corpora cardiaca, областью нейроэндокринной кольцевой железы. AKHs действуют аналогично glucagons позвоночных14,15 и вместе с (ILPs), составляют часть эндокринной сигнальной системы, которая позволяет животным координировать скорости клеточного роста и изменения в диете с минимальными нарушениями в программе развития.
Insulin/insulin-like growth factor signalling. Система IIS насекомых (Box 2) высоко гомологична с той, что найдена у млекопитающих. IIS активно способствует импорту глюкозы и сохранению питательных веществ жировым телом и др. органами, выполняющими гомеостатическую функцию инсулина у позвоночных16-18. При такой возможности она затрагивает поведение питания, продолжительность жизни и репродукцию19. Во время развития IIS регулирует также клеточный рост, выполнение онтогенетический функций insulin-like growth factors (IGFs) млекопитающих20,21. IIS активно используется разными путями у D. melanogaster, используя Gal4-UAS систему, чтобы заставить избыточно экспрессироваться гены в специфических тканях, и Flp-FRT систему, чтобы устранять функции генов в специфических тканях в определенное время22. Эти манипуляции показывают, что многие компоненты IIS не только существенны для роста клеток и органов, но и также достаточны для увеличения скорости роста какого-либо типа клеток у D. melanogaster23-26 (Box 2). У целых животных повышенная экспрессия некоторых из D. melanogaster's семи ILPs может усиливать как скорость личиночного роста, так и размеры взрослого17,27,28, в то время как устранение малых кластеров medial neurosecretory cells (mNSC) в головном мозге, которые являются принципиальным источником ILPs, снижают скорость роста и финальные размеры тела16,17,28. Исследования с использованием температуро-чувствительного аллеля инсулинового рецептора 29, чтобы регулировать IIS на определенных стадиях, показали, что роль IIS как регулятора скорости роста в целом, но что её эффекты на размеры тела ограничены ICG30. Это подтверждает более ранние исследования, в которых изменения в диете были использованы, чтобы показать, что предопределение к метаморфозу зависит от достижения критического размера скорее, чем от времени или скорости роста.
The Target of rapamycin протеин киназа наиболее охарактеризована и аргументировано наиболее важная, рост-регулирующая мишень передачи сигналов инсулина23,31,32, по крайней мере, у хорошо питающихся животных33,34. Исследования культивируемых клеток показали, что в дополнение к ощущению состояния питания косвенно посредством IIS, TOR отвечает клеточно автономно на уровни клеточных аминокислот, АТФ и кислорода35. Хотя и сомнительно, что клетки внутри личинок насекомых постоянно воспринимают абсолютные уровни аминокислот или деплецию глюкозы, как практикуется в экспериментах с клеточными культурами, эксперименты с D. melanogaster показали, что определенные личиночные клетки, которые располагаются в жировом теле и вообще в др. эндокринных органах и
использовать TOR, чтобы ощущать мельчайшие флюктуации в гемолимфе пищевых веществ, которые возникают из-за изменений в диете36,37.
Существует тонко регулируемая, детально разработанная сеть обратных связей между IIS, TOR и вызываемыми ими пищевыми поступлениями. Импорт глюкозы, который контролируется с помощью IIS, возможно затрагивает пул клеточного АТФ, который контролирует активность TOR. TOR также влияет обратно на IIS, по крайней мере, двумя способами. Во-первых, TOR негативно регулирует ISS посредством обратной связи между киназой и insulin receptor substrate (IRS) белками37, и, во-вторых, активность TOR необходима, чтобы активировать , критический компонент трансдукции IIS38 (Box 2). Первый механизм может глушить клеточную реакцию на передачу сигналов ILP, когда уровень питательных веществ высок, в то время как второй механизм преимущественно блокирует потенциально вредные эффекты несоответствующей IIS, когда клетки критически голодают по аминокислотам, глюкозе или кислороду. Др. гомеостатический механизм затрагивает транскрипционный фактор , который активирует транскрипцию InR, но также репрессируется с помощью активности IIS посредством AKT39.
Многочисленные наблюдения подчеркивают важность IIS и передачи сигналов TOR в качестве системы, отвечающей на пищевые вещества. Голодание репрессирует экспрессию некоторых из ILPs27,28,36, истощает IIS PIP3 (Ref. 24) и ингибирует активность TOR мишени для S6K (Ref. 40). В соответствии с этим, шелковичной моли ILP, bombyxin, истощается из гемолимфы при голодании41. Вообще-то наиболее важным из всех то, что генетически активируемая передача сигналов IIS или TOR может обходить известные клеточные эффекты голодания, включая арест роста клеток и репликацию ДНК в тканях, специфичных для личинок24,42 и индукцию аутофагии в жироваом теле43,44. Эти наблюдения указывают на то, что активности IIS и TOR супрессируются в тканях, специфичных для личинок, при голодании и что это систематически обеспечивает набор клеточных реакций, которые позволяют личинкам насекомых приспосабливаться к флюктуирующим условиям питания.
Как отмечалось выше, клетки взрослых предшественников в головном мозге и имагинальных дисках относительно нечувствительны к изменениям в диете. У D. melanogaster, рост и деления этих клеток не арестовываются у голодающих животных послед достижения ими критического веса. Эти клетки могут нуждаться в меньших ILP стимулах, чтобы поддерживать высокие скорости анаболического метаболизма или они могут продуцировать свои собственные ILPs. В самом деле нечувствительная к голоданию экспрессия ILP выявлена в обеих локализациях27,28. Независимый от питания рост клеток предшественников у личинок D. melanogaster возможно отражает жизненную стратегию животных, которая делает приоритетной утилизацию пищевых веществ для генерации способных к репродукции взрослых. Конечно, такая стратегия успешна только, если животные достигают минимального viable веса перед голоданием. Животные, которые голодают до этого, не имеют достаточного запаса питательных веществ для поддержания роста имагинальных клеток, чтобы достичь взрослой стадии и в конечном итоге погибают. У насекомых, иных чем D. melanogaster, онтогенетическая стратегия для достижения той же самой жизненной стратегии может быть иной и это отражается в некоторых физиологических отличиях, которые были отмечены. Голодание личинок M. sexta, напр., быстро арестовывает рост имагинальных дисков45 (Box 3).
Т.к. пищевой белок, но не сахара, необходим для клеточного роста, то можно ожидать, что mNSCs, которые продуцируют ILPs, будут сенсорами пищевых белков. Однако, эксперименты показали, что именно сахар, а не белок, необходим для mNSCs, чтобы экспрессировать ILP мРНК у D. melanogaster27,36. Соответственно инъекции глюкозы голодающим личинкам Bombyx mori (silk moth) достаточно для стимуляции секреции bombyxin41. Следовательно, хотя и ясно, что IIS система каким-то образом ощущает пищевой белок, но лежащий в основе этого механизм неизвестен. Было предположено, что секреция ILP в mNSCs может регулироваться пищевым белком, но столь же очевидно, что некоторые др. органы ощущают аминокислоты и способствуют активности IIS косвенно посредством вторичных факторов.
The fat body. Другим ощущающим питательные вещества органом может быть жировое тело. Хотя жировое тело, как известно продуцирует ILPs27,28, но эксперименты с органной культурой показали, что он продуцирует и определенного сорта ростовые факторы13,46, и что они могут быть зависимыми от питательных веществ. Недавние исследования показали, что специфически супрессируемый метаболизм в жировых телах за счет ингибирования импорта аминокислот, генетическое подавление активности TOR или активация FOXO достаточны, чтобы неавтономно супрессировать активность IIS как в личинках36, так и у взрослых47. Зависимая от питательных веществ продукция IIS кофактора с помощью жирового тела является привлекательным объяснением этих результатов (Fig. 1). Роль TOR в жировом теле может заключаться или в ощущении пулов аминокислот и АТФ или в обеспечении синтеза этого предполагаемого IIS кофактора или и то и др. Предполагаемый фактор, связывающий инсулин, acid labile subunit (ALS), которая продуцируется только жировым телом у питающихся животных36, является кандидатом на эту роль недостающего ростового фактора. Др. кандидатами являются chitinase-родственный imaginal disc growth factors (IDGFs)48 и adenosine-deaminase-related growth factor D (ADGFD)49,50, которые являются митогенами, которые экспрессируются жировым телом.
Ecdysone and the prothoracic gland. Действительно все регуляторные биологические системы обладают элементами негативной петли обратной связи, которая удерживает их от одичания. Важным способом негативной петли обратной связи в контроле размеров тела, по-видимому, является использование (20E)51-53, стероидногогормона, который контролирует как линьку, так и начало метаморфоза у всех насекомых54,55. Недавние исследования установили, что активность 20E позитивно контролируется за счет активности IIS в проторакальной железе, секторе кольцевой железы, которая продуцирует стероидный гормон ecdysone, который является предшественником 20E51,3. Супрессия IIS в проторакальной железе подавляет активность 20E и увеличивает размеры тела взрослых, в то время как увеличение IIS дает противоположный эффект. Как IIS стимулирует продукцию экдизона пока неясно, но некоторые взаимоотношения задокументированы в др. органах у москитов и шелковичной моли19, и это, по-видимому, всеобщее. Др. факторы, которые затрагивают рост клеток, такие как Myc и cyclin D-CDK4, по-видимому, не стимулируют продукцию экдизона проторакальной железой, тогда как активация путиRas-Raf pathway делает это53. Объяснения этому пока нет, но одной из возможностей является то, что передача сигналов и IIS и Ras-Raf способствует специфическим аспектам метаболизма, которые необходимы для синтеза стероидов.
Ожидалось, что эффекты размеров тела, которые возникают в результате альтераций прототоракальной железы, д. обусловить изменения времени начала метаморфоза, который запускается, когда проторакальная железа высвобождает большую порцию экдизона (Box 4). В самом деле, экстремальные изменения в активности IIS в проторакальной железе изменяют время наступления метаморфоза и следовательно, возможно также меняют продолжительность ICG52,53. Неожиданно, однако, Colombani51 и Mirth52 установили, что более существенные изменения в IIS в проторакальной железе четко затрагивают скорость личиночного роста с раннего развития, не влияя на время онтогенеза. Более тщательная проверка выявила, что 20E и его рецептор, EcR, противодействуют способности передачи сигналов ILP активировать PI3K и AKT, и супрессировать ядерную локализацию FOXO51 (Box 2). Эффект на FOXO оказался клеточно автономным, по крайней мере, в жировом теле, указывая тем самым, что IIS и 20E возможо обладают антагонистическими эффектами на рост и метаболизм на клеточном уровне. Согласуется с ролью жировых тел в контроле роста всего тела то, что передача сигналов ecdysone в жировое тело не является клеточно автономной и оказывает системные эффекты на рост. Напр., специфически супрессированная передача сигналов ecdysone в жировое тело увеличивает общую скорость роста и финальный размер тела без нарушения времени онтогенеза. Привлекательным объяснением этого является то, что передача сигналов экдизона супрессирует продукцию зависимых от питания ростовых факторов жировым телом (Fig. 1). Однако, роль 20E как ростового фактора далеко не простая; наблюдения на др. насекомых показали, что хотя высокие уровни 20E ингибируют клеточную пролиферацию, низкие уровни 20E или экдизона необходимы для роста и пролиферации некоторых личиночных клеток в культуре56,57. Способность экдизона противодействовать IIS является, следовательно, или уровень зависимой или вообще специфической для типов клеток. Необходимы дальнейшие исследования.
Cell-size control
Изменения в размерах клеток объясняют существенное количество вариаций в размере тела, которые наблюдаются у D. melanogaster, как в популяциях дикого типа58, так и в экспериментальных ситуациях32,33. Размер пролиферирующих клеток детерминируется их относительными скоростями роста и деления. Как же регулируется скорость делений? Скорость клеточных делений в имагинальных дисках безусловно зависит от роста: когда скорость роста депрессирована отсутствием питания, передачи сигналов IIS или TOR, то клеточные деления тоже замедляются. Однако, экспериментальные манипуляции, который усиливают скорости клеточного роста в целом не увеличивают скорости или количество клеточных делений в этих органах23,59, по крайней мере, когда эксперименты проводятся на богатой пище. Следовательно, по-видимому, имеется прирожденная программа развития, которая предопределяет максимальную скорость делений имагинальных клеток. Финальное количество клеток в каждом органе также онтогенетически запрограммировано, в основном независимо от скорости роста. Это частично из-за того, что независимый контроль скоростей клеточных делений и количества клеток таков, что питание, передача сигналов IIS и TOR оказывают столь незначительное влияние на финальные количества клеток у взрослых, но такие выраженные эффекты на клеточные размеры: если скорости клеточного роста повышаются без соотв. увеличения делений, то размер клеток увеличивается.
Взрослое насекомое состоит почти полностью из не пролиферирующих клеток и размеры этих клеток детерминируются просто с помощью относительных скоростей синтеза, хранения и оборота макромолекул, метаболитов и воды. Соотв. большинство генов, которые влияют на размеры клеток у взрослых, меняют метаболический баланс определенным способом. Сюда входят IIS- и TOR-сигнальные гены, которые обсуждались выше (Box 2), и немногие др. гены, такие как Myc и cyclin D-CDK4 kinase59-61, которые затрагивают рост постмитотических клеток. Подобно TOR, Myc является мощным стимулятором биогенеза рибосом и белкового синтеза61, но, по-видимому, регулируется с помощью IIS- и TOR-независимых, не связанных с питанием онтогенетических сигналов. Cyclin D-CDK4 является не существенным регулятором клеточного роста, который выполняет отдельную функцию по контролю за ходом клеточного цикла посредством законсервированного E2F-RB пути62. Cyclin D-CDK4 позитивно регулирует митохондриальную активность с помощью неизвестного механизма и необходим интактным митохондриям, чтобы стимулировать клеточный рост60. Генетические тесты показали, что функция каждого из этих генов затрагивает не только размеры клеток, но размеры тела и, следовательно, они являются потенциальными мишенями для эволюционного отбора по размеру тела.
Популяционно-генетические исследования также документально подтвердили существенные различия между крупными и мелкими линиями D. melanogaster58,63, хотя генетическая основа подобных изменений всё ещё дискуссиона (Box 5). Логично предположить, что размеры взрослых клеток и даже размеры органов, могут детерминироваться частично за счет дифференциально запрограммированной экспрессии компонентов IIS- и TOR-путей58,64, и, по крайней мере, в одном из недавних исследований это мнение поддтвержедно данными18. Однако, действительно любой фактор, который изменяет баланс между анаболическим и катаболическим метаболизмом, можно ожидать, будет действовать как детерминант размеров клеток.
Growth-phase duration
Время прекращения приема пищи и начало метаморфоза является критическим детерминантом размера тела у насекомых. Этот переход контролируется, по крайней мере, частично физиологической сетью гормонов, которые циркулируют в гемолимфе животных54 (Fig. 1). Как показано в Box 4, фаза роста заканчивается с помощью гормонального каскада, который стартует с достижением критического веса и заканчивается секрецией высоких уровней экдизона, запуском прекращения питания и образования куколки. У M. sexta, сигнал, что достигнут критический вес связан с поступлениями (JH), сопровождаемыми секрецией (PTTH), который запускает продукцию экдизона (Fig. 1). Как полагают, то же самое происходит и с D. melanogaster, хотя исчерпывающие данные отсутствуют.
Models for size control. Davidowitz et al.8, Nijhout et al.9 и Shingleton et al.18 использовали ранние находки Beadle4, Bakker5 и др., чтобы разработать модели физиологического контроля размера тела. Эти модели описывают в специфических терминах взаимодействие между скоростью роста, критическим весом и контролем JH, PTTH и экдизона во время финальной личиночной стадии D. melanogaster или M. sexta. Обе имели три критических параметра: скорость роста, критический вес и продолжительность ICG (Fig. 2). После достижения критического веса животное продолжает расти до тех пор, пока не наступит пик 20E, вызывающий прекращение питания и начало образования куколки и метаморфоза (Box 4). Т.к. личиночный рост в основном экспоненциальный, то рост во время ICG может быть важным, объясняющим около половины пика личиночной массы у M. sexta и большую её часть у D. melanogaster, указывая, что рост происходил на богатой пище. Если рост замедляется или останавливается во время ICG из-за бедной диеты, потери передачи сигналов инсулина или перенаселенности, напр., то финальный вес животного будет значительно ближе к его критическому весу. Эта модель тщательно тестировалась экспериментально9,18 и с помощью компьютерного моделирования9, и оказалась успешным каркасом для понимания эффектов питания, передачи сигналов IIS и экдизона на контроль веса тела у Diptera и Lepidoptera. Она предоставляет простейшее объяснение эффектов диеты и IIS , т.к. эти факторы оказывают значительные эффекты на скорость роста во время ICG, но довольно незначительные эффекты на критический вес4,8,18. Однако, современная парадигма имеет ограничения. Одно из них то, что она приложима только к последнему личиночному возрасту и оставляет открытым важный вопрос, как предопределяется критический вес и ощущается и как эта информация затем достигает кольцевой железы. чтобы прекратить продукцию JH и индуцировать продукцию PTTH и экдизона. Этот вопрос суть общего контроля размера, по крайней мере, у Diptera и Lepidoptera.
Sensing critical weight. Довоьно мало известно о том, какой параметр действительно считывается как критический вес. Однако, имеются некоторые провоцирующие наблюдения. Напр., ранние исследования некоторых насекомых показали, что присутствие растущих или регенерирующих имагинальных дисков задерживает окукливание65-67, указывая тем самым, что рост имагинальной ткани генерирует сигнал, который поддерживает JH на высоких уровнях до тех пор, пока их рост не достигнет некоторого верстового столба, который может оказаться метрическим для критического веса. Согласуется с этим мнением то, что мутации, которые нарушают цитоархитектуру клеток имагинальных дисков и поэтому позволяют им расти неопределенное время, супрессируют уровни 20E levels, удлиняют личиночный рост и в некоторых случаях генерируют куколки больших размеров65,67,68. Но хотя идея, что сигналы, которые возникают из дисков, действуют на центры передачи эндокринных сигналов, чтобы начать метаморфоз, существует многие годы, такие сигналы никогда не были идентифицированы. Более того, некоторые грани личиночной биологии плохо согласуются с этой идеей. Напр., различные имагинальные ткани растут и созревают асинхронно и многие продолжают расти даже после прекращения питания. У насекомых, отличных от мух, рост дисков после окукливания, фактически норма (Box 3). Эти наблюдения указывают на то, что рост дисков сам по себе не ингибирует метаморфоза. Вторым смущающим наблюдением является то, что мутантные личинки, которые лишены имагинальных дисков, тем не менее могут окукливаться69,70, хотя это и происходит позднее и при значительно меньших размерах, чем в норме71. Следовательно, хотя рост дисков и может создавать 'growth checkpoint' у некоторых насекомых, но в основе д. лежать независимый от дисков механизм, который ощущает критический вес и запускает окукливание.
Несмотря на эти неожиданные расхождения, недавние находки36,51-53 подтвердили, по крайней мере, один потенциальный мезанизм восприятия размера, который согласуется с большинством литературных и анекдотических сообщений. Если имагинальные диски, кишечник и слюнные железы продуцируют ILPs27, то экспоненциальный рост этих органов может вызывать экспоненциальное увеличение в IIS в проторакальной железе и тем самым способствовать увеличению ею продукции экдизона. Т.к. 20E супрессирует клеточный рост51-53, то увеличивающиеся его уровни д. сначала замедлить рост периферических тканей, а затем запустить прекращение приема пищи. Второй аналогичный механизм обратной связи может быть представлен для устранения JH. В этом случае экспоненциальный рост жирового тела и конкурентное увеличение способности этого органа продуцировать juvenile hormone esterase (JHE)72, может помогать удалению JH и запуску каскада, который ведет от PTTH к продукции 20E при критическом размере. Сходные петли обратной связи могут быть предположены, с помощью которых рост жирового тела усиливает передачу сигналов 20E благодаря своей способности превращать прогормон ecdysone в активный 20E, или благодаря продукции ростовых факторов, которые усиливают активность IIS в проторакальной железе36,48,50. В соответствии с этими идеями, повышенная активность IIS в жировом теле д. вызывать не только усиленный рост жирового тела, но и преждевременное прекращение питания24. Комбинированное действие такого сорта петель обратной связи может объяснить частично, почему личинки не растут после достижения критического размера. Однако, эти механизмы не были изучены непосредственно в лабораториях. Сколько LP в гемолимфу вносится дисками и др. тканями, неизвестно, исследования жирового тела, как сигнального центра только начинаются и немногие исследования о времени наступления окукливания73 имеют непосредственное отношение к этой идее. Тщательный генетический анализ механизмов, которые ощущают критический вес и контролируют время наступления окукливания у D. melanogaster д.б. добавлен к уже имеющейся огромной физиологической литературе по M. sexta, B. mori и др. крупным насекомым.
Др. ограничением существующей парадигмы (Fig. 2) является е1 предположение, что взрослый размер является пропорциональным пику личиночного размера. Хотя это условие и согласуется с большинством данных по D. melanogaster и M. sexta, имеющиеся данные также показывают, что максимальные размеры взрослых органов в конечном итоге контролируются внутренне присущей органу передачей сигналов скорее, чем являются функцией общего размера тела или запасенных питательных веществ. Если это верно, то существует, по-видимому, верхний лимит размера тела взрослых, который генетически закодирован и который не может быть превышен за счет простого усиления роста и пищевых запасов во время ICG. Было бы интересно посмотреть, может ли увеличение пищевых запасов личинками в 3-4 раза больше нормального уровня приводить к пропорциональному увеличению размеров взрослого или питательные вещества, запасенные в избытке от необходимого максимума, просто выбрасываются. Учитывая современное состояние этой области, это вскоре может будет проверить на D. melanogaster.
Cell numbers and allometry
До сих пор экспериментальные манипуляции с питанием и передачей гормональных сигналов достигали цели по редукции веса взрослых D. melanogaster приблизительно на 15% (Ref. 4), или увеличивали его до примерно 150% (Ref. 28), это обычно достигалось в лаборатории, когда мухи питались богатой пищей. Многие из этих вариаций обусловлены изменениями в размерах клеток скорее, чем в числе клеток, уменьшения которого у D. melanogaster достигалось генетическими манипуляциями до 80% (Refs 26, 33), или увеличения до 120% от нормы28,51. Однако, естественные вариации в числе клеток между видами Drosophila или даже субпопуляциями D. melanogaster, были значительно выше этого58,63,74. Если же рассматривать более удаленные виды, такие как D. melanogaster и M. sexta, или мышей и слонов, то различия в количестве клеток очень значительные, чем различия в размераз клеток. Следовательно, с эволюционной точки зрения контроль количества клеток является более важной детерминантой размера тела, чем контроль скорости роста или размера клеток. Контроль количества клеток остается иногда мистическим и он, по-видимому, не сможет быть решен исследованиями по питанию, передаче сигналов IIS/TOR и эндокринологии. Однако, имеются некоторые указания.
Одним из показательных наблюдений является то, что когда имагинальные диски культивируются в течение длительного периода в подходящих для роста условиях, таких как молодые личинки или абдомен взрослых, то они растут только своего нормального target размера и затем останавливаются75. Следовательно, окончательное количество клеток в этих взрослых органах является в основном орган-автономным свойством. То же самое можно предположить и для ЦНС, которая имеет действительно безвариантный паттерн клеточных делений13,76. Преобладающим объяснением этому является то, что размер органа (и, следовательно, финальное количество клеток у взрослых) детерминируется прежде всего за счет коротко-действующих, орган-автономных (paracrine) сигнальных систем, таких как Wnt, bone morphogenic protein (BMP), hedgehog , epidermal growth factor (EGF) и путей, разворачивающихся во время развития. Специфика локальных передач клеточных сигналов в комбинации с орган-специфичными кодами транскрипционных регуляторов (напр., Hox генов) по-видимому, и создает для каждого органа генетически предетерминированный финальный размер, который может быть изменен только в небольших пределах с помощью пищевых и эндокринных влияний. Многие генетические эксперименты с коротко-действующими сигналами и селекторного типа тренскрипционными факторами подтверждают это мнение (rev. 1,3,59). Возьмем пример из млекопитающих, эволюция крыльев летучих мышей, как полагают, произошла в результате увеличения пролиферации хондроцитов, которые закладывали косточки пальцев. Это превратило пальцы летучих мышей, которые формируют крылья, в несколько раз более длинные, чем у их мыше-подобных родоначальников. Повышенная пролиферация хондроцитов в пальцах передних конечностей летучих мышей, по-видимому, произошла в результате продолжительной экспрессии BMP, который функционирует как локальный фактор роста77.
У мух коротко действующая передача сигналов BMP контролирует финальный размер и форму большинства органов, обсужденных здесь, включая имагинальные диски, кольцевую железу, жировое тело и различные области головного мозга. Др. локальные сигналы, такие как wingless (, Wnt), HH, Notch и различные лиганды и рецепторы, которые включены в путь Ras-MAPK также влияют на конечный размер. Такие коротко-действующие сигналы обычно считаются регуляторами allometry, но учитывая как много коммуникаций имеется между различными органами (Fig. 1), было бы неожиданностью, если бы коротко-действующие сигналы не имели обратной связи на множественных уровнях на эндокринные сигналы, которые влияют на ощущение критического веса, скорость роста и продолжительность периода роста. Исследования на жуках выявили рост-регуляторные взаимодействия между разными имагинальными дисками, которые согласуются с такими обратными связями64,78, a открытие, что передача сигналов Ras-MAPK в прототоракальной железе влияет на уровни 20E, время окукливания и размеры тела53 создает осязаемый молекулярный пример.
Future directions
The work discussed here is an inspiring example of how the convergence of two previously separate fields of study — Dipteran genetics and Lepidopteran physiology — can yield a new paradigm for understanding a sizeable biological issue. However, the synthesis is incomplete, because although most of the crucial organs and gene systems that control body size might have been identified, the way these units communicate (Fig. 1) is still poorly understood. Moreover, the size-control paradigm as it stands (Fig. 2) refers to a rather narrow window of time — the last instar of larval development — and aims to explain only the three- to fourfold variations in size that have been achieved experimentally, and that are seen within species in the wild. Understanding the much larger variations in body size between species that occur during evolution will require new concepts and approaches. Future studies focused on the functional connections between intrinsic size control in the imaginal tissues and critical-weight sensing by the whole animal are clearly important. It would be best if these studies were carried out using combined genetic and physiological tools in the same organism, to avoid the pitfalls of comparing systems (for example, D. melanogaster, M. sexta and B. mori) that have significant physiological differences. Incorporating evolutionary genetics is also an important goal, but this will be challenging, because comparative genomics without experimentation is unlikely to explain the intricacies of anatomy and physiology that, to a large extent, control how an organism regulates its growth rate and determines its final size.
