У актинии нематостеллы гаструляция может идти разными путями

Разделение на зародышевые листки у каждого вида организмов происходит одним определенным способом. Однако на примере кораллового полипа актинии нематостеллы удалось показать, что изменение начальных условий развития эмбриона может спровоцировать альтернативные способы гаструляции. Из этого следует, что потенциально организму присущи разные способы гаструляции, и смена их в ходе эволюции могла происходить сравнительно легко.

Гаструляция — один из важнейших этапов в развитии эмбриона. Как писал известный специалист по биологии развития Льюис Уолперт (Lewis Wolpert): «Не рождение, супружество или смерть, а гаструляция на самом деле является наиважнейшим событием в вашей жизни». На этом этапе происходит разделение эмбриона на зародышевые листки (эктодерму, энтодерму и — в случае трехслойных животных — мезодерму). Каждый из зародышевых листков, в свою очередь, будет формировать определенные типы тканей или органов (например, из энтодермы формируется большая часть желудочно-кишечного тракта, а из мезодермы — мышцы). Гаструляция может происходить несколькими путями, но каждому виду животных обычно присущ только один способ гаструляции. Большой интерес представляют вопросы о том, как в процессе эволюции появились разные способы гаструляции и чем определяется выбор того или иного способа у разных видов.

В поисках ответов на эти вопросы международная группа ученых, включающая выпускников и сотрудников кафедры биологической эволюции МГУ им. М. В. Ломоносова, спроектировала и провела ряд остроумных экспериментов на уже ставшем модельным двуслойном организме — актинии Nematostella vectensis. Результаты работы опубликованы в журнале PNAS.

Нематостелла недавно уже помогла ученым лучше разобраться в происхождении разных зародышевых листков и их соотношении у двуслойных и трехслойных организмов (см.: Актиния нематостелла поставила под сомнение классические представления о гомологии зародышевых листков, «Элементы», 28.11.2017). В новой работе основной упор был сделан на способ разделения зародышевых листков.

В норме эмбрион нематостеллы проходит через стадии сферической бластулы (однослойная шарообразная клеточная структура с полостью внутри) и инвагинационной гаструлы — при таком способе гаструляции слой клеток на одном полюсе бластулы вворачивается внутрь, в результате чего и образуется двухслойная гаструла (рис. 2).

В воде, лишенной ионов кальция и магния, межклеточные контакты разрушаются без значимого вреда для самих клеток. Проще говоря, помещенный в такую воду эмбрион рассыпается на отдельные клетки. Если потом вернуть их в морскую воду нормального состава, то, соприкасаясь, эти клетки могут снова слипаться. Так формируются клеточные агрегаты — простые комочки из клеток, ничем не напоминающие нормальный эмбрион. Клетки в них слипались случайным образом и занимали в таком импровизированном эмбрионе «неправильное» (нехарактерное для этих клеток в норме) положение (рис. 3, А). Несмотря на это актиния оказалась способна формировать из таких комочков полноценные жизнеспособные организмы. Ученые помещали в воду без ионов кальция и магния по несколько сотен эмбрионов на одной и той же стадии развития, при этом некоторые эмбрионы были трансгенными: их клетки светились, что позволяло проследить судьбу этих клеток при формировании и развитии агрегатов.

Развитие таких клеточных агрегатов очень сильно отличалось от нормального развития эмбриона нематостеллы. Так, у агрегатов отсутствовала полость и никакой инвагинации (вворачивания внутрь) не наблюдалась, однако разделение на зародышевые листки всё же происходило, но совершенно иным путем.

Агрегаты из эмбриональных клеток сначала не имели разделения на внешний и внутренний зародышевый листки: клетки, в прошлом принадлежавшие экто- и энтодерме, случайным образом были перемешаны между собой. Также не наблюдалось никаких признаков оси тела: место формирования будущего рта с щупальцами и прикрепительной подошвы невозможно было определить ни по внешним признакам, ни по экспрессии каких-либо генов.

В норме инвагинация довольно четко подразделяет эмбрион на два зародышевых листка, зона вворачивания становится ротовым (оральным) концом тела нематостеллы, а противолежащий ей полюс — подошвой (аборальным концом тела). У агрегатов же никакого вворачивания произойти не могло из-за отсутствия полости, куда можно было бы вворачиваться, поэтому они стали гаструлироваться без перемещения пластов клеток. Сразу в нескольких местах агрегата клетки, оказавшиеся снаружи, постепенно приобретали свойства эктодермы: за счет изменения своей формы и образования специфических межклеточных контактов они становились в один четко отделенный от внутренних клеток слой (это видно на рис. 3, Г–Ж). Кроме того, другие клетки приобретали подвижность и погружались внутрь агрегата (см. видео из дополнительных материалов к обсуждаемой статье). Позже формировались оральные и аборальные концы тела: как на уровне экспрессии генов, так и по внешним признакам. У больших агрегатов часто формировалось несколько голов и ног, что никак не мешало развитию получающегося организма (рис. 3, Н, П).

Если агрегаты были получены из клеток орального конца эмбриона, то развитие происходило описанным выше путем (рис. 4, A–E). Если же смешивались клетки только аборального полюса, то агрегат разделялся на слои, но дальше не развивался и выглядел как реснитчатый шарик (рис. 4, F–J).

Рис 4. Схемы и результаты экспериментов по формированию агрегатов различного состава.
Пояснения в тексте.
Иллюстрация из обсуждаемой статьи в PNAS

Однако ситуацию можно исправить и восстановить нормальное развитие, заставив клетки экспрессировать гены wnt1 и wnt3 (рис. 5, A–C). Из этого был сделан вывод, что данные гены, экспрессия которых в норме наблюдается на оральном конце гаструлы, ответственны за формирование орального и аборального концов тела. В подтверждение этой гипотезы ученые показали, что нарушение работы маркера оси тела BMP2/4 (Bone morphogenetic protein, Костный морфогенетический белок), необходимого для нормального функционирования wnt1 и wnt3, препятствует формированию оси тела в агрегатах, собранных из целых эмбрионов (рис. 5, D–F).

Рис. 5. Роль генов Wnt в организации развития эмбриона. A–C — развитие агрегатов из аборальных половинок идет нормальным путем, если хотя бы часть клеток экспрессирует гены wnt1 и wnt3 (показаны зеленым). D–F — при нарушении работы маркера BMP2/4 нормального формирования оси тела не происходит. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в PNAS

При встрече клеток орального конца обычных эмбрионов и аборального конца светящихся эмбрионов простые и светящиеся клетки распределялись по агрегату, а потом и по всему полипу случайным образом: их принадлежность к тому или иному полюсу не сохранялась (рис. 4, K–N). А в аналогичном эксперименте, когда изначально светились клетки энтодермы, свечение обнаруживалось только внутри агрегата (рис. 4, O–R), то есть энтодерма оставалась энтодермой, даже если использовались только аборальные половинки и нормального развития полипа не происходило (рис. 4, S–V).

Если в эксперименте использовались только клетки энтодермы, то агрегаты не развивались и постепенно обратно распадались на клетки (рис. 4, W–Z). В то же время агрегаты из одних только эктодермальных клеток развивались нормально, формируя энтодерму из того, что есть (рис. 4, A’–E’). Получается, что клетки внешнего зародышевого листка (эктодермы) способны изменить свою судьбу и стать клетками внутреннего зародышевого листка — энтодермы. А клетки энтодермы своей судьбы поменять уже не могут.

Актиния нематостелла в данном исследовании продемонстрировала поразительную пластичность развития — способность находить иные пути гаструляции для достижения конечного результата (формирования полипа), если обычный путь недоступен. Кроме того, что этот организм может восстанавливаться из отдельных разлученных клеток, он еще и демонстрирует изменчивость судьбы этих клеток: эктодермальные клетки при необходимости могут преобразовываться в энтодермальные, хотя в обратную сторону это не работает (энтодерма не способна преобразоваться в эктодерму).

Наиболее поразительным и важным результатом ученые считают тот факт, что в измененных условиях (когда отсутствует внутренняя полость) эмбрион развивается альтернативным путем: вместо инвагинации наблюдается комбинация мультиполярной иммиграции (способ гаструляции, когда клетки, которые станут энтодермой, уходят внутрь эмбриона из разных точек поверхности зародыша) и деламинации (способ гаструляции, когда клетки, которые оказались снаружи эмбриона постепенно приобретают свойства эктодермы, а все клетки, которые очутились внутри него, становятся энтодермой). Эти способы гаструляции в норме несвойственны нематостелле и другим представителям класса коралловых полипов, но зато встречаются у ее дальних родственников из класса Гидроидных.

Таким образом, данное исследование позволило наглядно показать, как могло появиться разнообразие способов развития в ходе эволюции: при возникновении физических преград пластичные эмбриональные клетки могут идти в обход своей четкой программы развития и использовать все доступные им способы организации во взрослый организм.

Статья опубликована в журнале PNAS
Источник: Алёна Сухопутова, Анастасия Кириллова elementy.ru