За кажущейся простотой - цилиндр, увенчанный щупальцами, - актиния скрывает большую сложность. Он заметно ближе к нам, чем мы могли бы подумать, его геном очень похож на наш. Эти сходства делают морских анемонов идеальной моделью для изучения генома животных и понимания взаимодействия между генами. Недавно международная группа исследователей обнаружила в щупальцах морских анемонов связанный с осязанием ген развития. Уже известно, что этот ген участвует в развитии слуха у людей. Это открытие показывает генетическую связь между двумя видами, свидетельствующую об общем предке и эволюционной истории слуха у людей.
В 2007 году группа американских исследователей неожиданно обнаружила, что геном анемона, относящегося к той же категории, что и кораллы и медузы, первой дивергирующейся ветви многоклеточных животных, больше напоминает геном человека и другие позвоночные, чем классические лабораторные модели, такие как дрозофилы и черви-нематоды. Последние потеряли бы ряд генов от общих предков, которые сохранились бы у актиний и позвоночных животных.
Геном анемоны, который более похож, является хорошим эталоном для сравнения с геномом человека с целью обнаружения генов нашего общего предка и их организации на хромосомах. Хизер Марлоу, специалист по биологии развития в отделе геномики и эпигеномики развития позвоночных Института Пастера, объясняет: «Когда в 2007 году был секвенирован геном морской актинии, было обнаружено, что он очень похож на человеческий геном как по количеству, генов, около 20 000 генов, и в организации. Эти сходства делают морских анемонов идеальной моделью для изучения генома животных и понимания взаимодействий между генами».
Кроме того, актиния занимает стратегическое положение на древе жизни. Эволюционная ветвь книдарий, к которой принадлежат анемоны, отделилась от билатеральных, то есть от большинства других животных, включая человека, более 600 миллионов лет назад. Хизер Марлоу резюмирует: «Таким образом, анемоны могут также помочь нам понять происхождение и эволюцию множества типов клеток, из которых состоят тела и органы животных, и, в частности, их нервную систему». В 2018 году та же команда выявила очень сложную нервную и сенсорную систему с почти тридцатью различными типами нейронов - пептидергическими, глутаматергическими или даже инсулинергическими..
В этом контексте международная группа под руководством биолога Этана Озмента из Университета Арканзаса недавно опубликовала статью в журнале eLife, в которой сообщается об открытии связанного с осязанием гена развития в щупальцах морских анемонов., который, как известно, также связан со слухом у людей.
Сенсорные клетки общего происхождения
Одним из наиболее фундаментальных типов сенсорных клеток, появившихся в ходе эволюции животных, является механосенсорная клетка. Это специализированная сенсорная эпителиальная клетка, преобразующая механические раздражители - например, колебания воды, давление на кожу, растяжение и т. д. - во внутренних сигналах. Затем эти сигналы передаются, обычно через нервную систему, эффекторным клеткам, например мышечным клеткам, для вызова поведенческих и/или физиологических реакций организма. Мы говорим о механорецепторах.
Несмотря на это место в филогении животных, самые ранние эволюционные истории развития механорецепторов остаются загадочными. Мы знаем, что классическим типом механосенсорных клеток со специальной сенсорно-нейронной функцией, т. е. вырабатывающей нервный импульс при деформации прилегающей ткани, является волосковая клетка. Более того, у человека и других позвоночных ими снабжены сенсорные рецепторы слуховой системы. Эти клетки имеют пучки пальцеобразных органелл, называемых стереоцилиями, которые обнаруживают механические раздражители, то есть вибрации, которые мы слышим как звук.
Как упоминалось выше, морские анемоны являются более подходящей моделью для изучения истории эволюции человека, потому что характеристики, общие для двусторонних животных и кишечнополостных, вероятно, присутствовали у нашего последнего общего предка. Действительно, эти морские анемоны принадлежат к группе Cnidaria, сестринской группе Bilateria, включая позвоночных. Эти две группы разошлись со своим последним общим предком, который жил от 748 до 604 миллионов лет назад. Кроме того, морские анемоны также обладают волосковыми клетками с морфологическими и функциональными характеристиками, аналогичными характеристикам механосенсорных клеток других линий животных. К сожалению, ни одно исследование не изучало гены, необходимые для развития волосковых клеток книдарий, которые могли бы рассказать нам об истории нашей эволюции.
Чтобы пролить свет на эти вопросы, исследователи настоящего исследования опирались на предыдущую работу, которая выявила существование определенного гена, гена POU-IV. Последний характерен для всех существующих групп животных, кроме Ctenophora, что указывает на раннее появление в эволюции животных. Его участие в развитии реснитчатых клеток у млекопитающих подтверждается опытами на мышах. Последние, если они лишены гена POU-IV, глухие. Тем не менее, его роль в сенсорном развитии морского анемона и его эволюция в филогенезе животных оставались неизвестными.
Ген, отвечающий за слух и осязание
Чтобы понять, что делает ген POU-IV у звездчатой актинии (Nematostella vectensis), команда отключила его с помощью инструмента редактирования генов CRISPR-Cas9. Для этого исследователи вводили смесь, содержащую белок Cas9, в оплодотворенные яйца морских актиний, чтобы выбить ген, и изучали развивающиеся эмбрионы, а также культивированные мутировавшие актинии.
Затем они обнаружили, что удаление гена привело к аномальному развитию щупальцевых волосковых клеток. Действительно, анемоны-мутанты демонстрировали аберрантный рост волосковых клеток и отсутствие чувствительности к прикосновению по сравнению с контрольными анемонами дикого типа. Другими словами, без гена POU-IV они не могли воспринимать физические раздражители через свои волосковые клетки.
Кроме того, мутантные анемоны сильно репрессировали ген, очень похожий на ген полицистина 1, который необходим для нормального восприятия потока жидкости клетками почек позвоночных. Ощущение потока жидкости может быть полезной характеристикой для водных организмов, даже несмотря на то, что у актиний нет почек.
В целом, результаты показывают, что POU-IV мог играть роль в эволюции механорецепторных клеток у единственного предка книдарий и билатерий. В заявлении исследователей говорится: «Это исследование интересно, потому что оно не только открыло новую область исследований того, как механоощущение развивается и функционирует у морских актиний, но также информирует нас о том, что строительные блоки нашего слуха имеют древние эволюционные корни, уходящие в докембрий на сотни миллионов лет. Ранняя роль POU-IV в дифференцировке механорецепторов в эволюции животных остается нерешенной и требует сравнительных данных по плакозоа и губкам».
Результаты этой работы открывают совершенно новую область исследований развития и функций механорецепции у книдарий. Кроме того, это открытие указывает на то, что эволюция нашего слуха имеет очень древнюю историю. Необходимо будет использовать информацию из других типов, с более старыми участками дивергенции, чтобы проследить историю гена еще дальше.
В конечном счете, исследователи планируют изучить механизм, с помощью которого POU-IV активирует различные наборы генов в книдоцитах и волосковых клетках, чтобы пролить свет на то, как POU-IV мог способствовать эволюции новой механосенсорной клетки. тип Cnidaria.