В 2000-х годах учёные впервые секвенировали геномы губок. Тогда исследователи обнаружили, что у них не только примерно столько же генов, сколько у человека и других сложных существ, но и много генов, одинаковых с нашими и генами других организмов. Эти гены предполагают, что генетическая информация для сокращения мышц и дифференциации нейронов намного древнее самих мышц или нервной системы. Но что эти гены делают в губке, у которой нет ни мышц, ни нейронов? Подробностями делимся к старту курса по Machine Learning и Deep Learning.

Новое исследование экспрессии генов у губок показывает сложное разнообразие их клеток, а также некоторые, возможно, древние связи между нервной, иммунной и пищеварительной системами. Атлас экспрессии генов у губки Spongilla выявил у этих примитивных животных удивительное клеточное разнообразие.

Ранее исследователи могли лишь делать обоснованные предположения и кропотливо изучать паттерны экспрессии от гена к гену. Однако новое исследование, проведенное с использованием преимуществ быстрого развития геномных технологий, показало, где экспрессируется около 26 000 генов у пресноводной губки Spongilla.

Этот атлас экспрессии генов показывает генетическую конфигурацию типов клеток по всему телу губки, включая некоторые ранее не описанные типы клеток. 

Он даёт важные подсказки о том, как развивались типы клеток, и может помочь разрешить затянувшийся, острый спор о том, развивались ли нейроны только один раз, или много раз. Результаты исследования опубликованы в последнем номере журнала Science.

По словам Скотта Николса, который изучает эволюцию губок в Денверском университете, эта амбициозная работа на голову выше предыдущих работ.

«Самое необычное — из этого набора данных возникли по-настоящему интересные гипотезы, — сказал он. — Но я особо подчеркнул бы, что они нуждаются в экспериментальной проверке».

Самая захватывающая гипотеза касается клеток внутри пищеварительных камер губки. Камеры выстланы характерными клетками, их называют хоаноцитами, они имеют воротничок из пальцевидных выступов (микроворсинок), а также жгутик.

Хоаноциты бьют своими жгутиками, таким образом регулируя поток воды через пищеварительную камеру, а также питаясь мелкими частицами и мусором из воды. Пищеварительные камеры содержат подвижные «нейроидные» клетки, которые были описаны много лет назад. Тогда их идентичность и функция были загадкой.

При помощи высокопроизводительной технологии секвенирования одноклеточной РНК, команда Детлева Арендта из Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге обнаружила, что хоаноциты экспрессируют гены, производящие в нейронах постсинаптические «строительные леса», эти леса участвуют в получении нейротрансмиттеров и реагировании на них. Они также обнаружили, что подвижные нейроидные клетки экспрессируют набор генов, обычно активных в пресинаптической луковице нейрона.

Это заставило исследователей предположить, что нейроидные клетки могут общаться с хоаноцитами и что работа нейроидных клеток может заключаться в патрулировании микробной среды в пищеварительной камере и соответствующем регулировании пищевого поведения хоаноцитов.

Возглавлявший проект постдокторант Якоб Мюссер окрасил губку, чтобы посмотреть, где именно экспрессируются пре- и постсинаптические гены. Он увидел, что экспрессирующие пресинаптические гены нейроидные клетки, действительно находятся рядом с хоаноцитами, которые, в свою очередь, экспрессируют постсинаптические гены.

На самом деле, нейроидные клетки протягивали псевдоподии, которые как будто касались хоаноцитов.

«Очевидно, это было очень заманчиво, — сказал Мюссер.  — Но что происходит? Точно сказать нельзя».

Чтобы увидеть картину деятельности клеток яснее, Мюссер и его команда использовали электронную микроскопию с фокусированным ионным пучком на рентгеновском синхротроне в Гамбурге для получения трёхмерных изображений клеток с очень высоким разрешением, на которых можно было различить клеточные особенности размером до 15 нм, что примерно соответствует размеру многих свёрнутых белков.

Исследователи увидели, что выступы нейроидных клеток охватывают микроворсинки хоаноцитов и жгутики, а ещё что нейроидные клетки содержат везикулы, подобные молекулам в пресинаптической луковице нейрона. Учёные подозревают, что везикулы, вероятно, выделяют нейротрансмиттер — глутамат.

Но как ни заманчиво представить, что эти губки имеют примитивные синапсы, исследователи никогда не наблюдали прямых, стабильных контактов между нейроидными клетками и хоаноцитами. Связи между клетками выглядят преходящими.

Кроме того, в ДНК губок нет генов некоторых ключевых ионных каналов, необходимых для создания потенциала действия, то есть резкого электрического сигнала, который в нейронах стимулирует высвобождение нейромедиаторов.

Тем не менее, поскольку всегда считалось, что у губок нет ничего даже похожего на нервную систему, предположение о том, что у них есть клеточные механизмы, имеющие глубокое эволюционное родство с нейронами, «это захватывающий шаг вперёд, чтобы связать биологию губок с биологией нейронных клеток и понять, откуда вообще у животных взялась нейронная сигнализация», — рассказал Николс.

По словам Марии Антониетты Тошес, которая изучает эволюцию типов клеток у позвоночных в Колумбийском университете и ранее стажировалась в лаборатории Арендта, происхождение нейронов и нервных систем — и, в частности, вопрос о том, возникли ли нейроны один или несколько раз — одна из самых спорных тем в области эволюционной биологии развития

Результаты нового исследования, похоже, раскрывают эту тайну. Исследователи обнаружили наборы пресинаптических генов, которые в нейроидных клетках, и постсинаптических генов, экспрессируемых в хоаноцитах. (Оба набора генов были активны и в других типах клеток.)

Этот факт позволяет предположить, что генетические модули, отвечающие за передачу и прием сигналов в системах коммуникации между клетками, были заложены в различных типах клеток предков животных. Поэтому нейроны могли эволюционировать неоднократно и независимо друг от друга благодаря различным применениям этих генных модулей, сказал Тошес.

На самом деле, многие многофункциональные клетки губок экспрессируют модули генов, которые обычно ассоциируются со специализированными клетками более сложных животных, таких как позвоночные.

Например, нейроидные клетки губки не только экспрессируют некоторые пресинаптические механизмы нейронов, но и экспрессируют иммунные гены. Возможно, если нейроидные клетки следят за микробным содержимым пищеварительных камер губок, эти иммунные гены помогают им в этой роли.

У губок также есть клетки, — пинакоциты, которые сокращаются в унисон, как мышечные клетки, чтобы сжать животное и выбросить отходы или нежелательный мусор; пинакоциты имеют сенсорные механизмы, которые реагируют на оксид азота, — вазодилататор [вазодилататоры — это группа рассширяющих сосуды веществ].

«Оксид азота расслабляет гладкую мускулатуру наших кровеносных сосудов, поэтому, когда кровеносные сосуды расширяются, это расслабление вызывает именно оксид азота, — рассказал Мюссер. — Как и глутамат, оксид азота мог быть частью раннего сигнального механизма для координации примитивного поведения губки», — предполагает он.

«Наши данные очень хорошо согласуются с представлением о том, что большое количество важных функциональных частей механизмов существовало уже на ранних этапах эволюции животных», — сказал Мюссер. — И большая часть ранней эволюции животных была связана с тем, что они начали разделять функции на различные клетки. Но, вероятно, эти самые первые типы клеток были очень многофункциональными, и им приходилось делать несколько вещей».

Самые ранние животные клетки, как и их близкие родственники простейшие, вероятно, должны были быть клеточными швейцарскими ножами. По мере эволюции многоклеточных животных их клетки могли брать на себя разные роли, разделение труда, которое могло привести к появлению более специализированных типов клеток. Но разные линии животных могли разделить задачи вещи по-разному и в разной степени.

Если смешение и согласование генетических модулей было важнейшей темой ранней эволюции животных, то сравнение расположения и экспрессии этих модулей у разных видов может рассказать нам об их истории — и о возможных ограничениях на то, насколько бессистемно они могут располагаться.

Однин из исследователей, который ищет ответы на эти вопросы, — Арнау Себе-Педрос, изучающий эволюцию типов клеток в Центре геномного регулирования в Барселоне и который в 2018 году опубликовал первые атласы типов клеток губок, пластинчатых и гребенчатых желе.

Себе-Педрос считает, что пространственная конфигурация генов на хромосомах может стать откровением: расположенные вместе гены могут иметь общий регуляторный механизм.

«Я совершенно потрясён степенью сохранения порядка генов в геномах животных», — сказал он. Он подозревает, что необходимость совместного регулирования наборов функционально связанных генов удерживает их в одном районе хромосомы.

Учёные находятся в самом начале изучения эврлюции и связи клеток друг с другом. Но, как бы ни было важно прояснить неясные истоки эволюции животных, атласы клеток губок также вносят большой вклад, раскрывая возможности клеточной биологии животных.

«Для нас важно не только понять само происхождение животных, — рассказывает Себе-Педрос, — но и понять вещи, которые могут радикально отличаться от того, что нам известно о других животных».

А чтобы разобраться с искусственными нейронами, вы можете обратить внимание на наши курсы:

• Профессия Data Scientist (24 месяца)

• Курс «Machine Learning и Deep Learning» (6 месяцев)

Также вы можете перейти на страницы из каталога, чтобы узнать, как мы готовим специалистов в других направлениях.