Запрет на вечную жизнь: почему наши клетки утратили механизм, доступный морским анемонам

Одной из догм современной биологии развития является концепция барьера Вейсмана. Согласно этому принципу, в организме животных существует разделение между двумя типами клеток: соматическими и клетками зародышевой линии. Соматические клетки формируют тело — мышцы, нервы, кожу, внутренние органы; они выполняют все жизненные функции, стареют и умирают вместе с организмом. Клетки зародышевой линии (гаметы) отвечают исключительно за передачу генетической информации следующим поколениям. У большинства сложных организмов, включая млекопитающих, это разделение происходит на самых ранних этапах эмбрионального развития, и путь назад закрыт: клетка кожи никогда не сможет стать яйцеклеткой.

Однако в животном мире существуют организмы, у которых это правило не работает. Книдарии (стрекающие) — тип древних водных животных, включающий медуз, кораллы, гидр и морских анемон, — обладают исключительной способностью к регенерации. Они могут восстанавливать утраченные части тела, а некоторые виды способны к фактическому биологическому бессмертию. Механизмы, обеспечивающие такую пластичность, до сих пор оставались предметом дискуссий.

Новое исследование, проведенное на морской анемоне Nematostella vectensis и опубликованное в журнале Science Advances, меняет представление о том, как эволюционировали стволовые клетки. Ученые обнаружили, что гены, которые у высших животных отвечают исключительно за формирование половых клеток, у анемон участвуют в создании нервной системы.

Поиск источника регенерации

Долгое время эталоном для изучения регенерации служила пресноводная гидра (Hydra). У этого организма была обнаружена популяция уникальных клеток, названных интерстициальными стволовыми клетками (ISC). Эти клетки обладают свойством мультипотентности: они способны делиться и превращаться в различные типы специализированных клеток — от нейронов и железистых клеток до сперматозоидов и яйцеклеток. Именно наличие ISC обеспечивает гидре ее феноменальную живучесть.

Проблема заключалась в том, что гидра — это эволюционно специфичный организм. У других представителей типа стрекающих, таких как морская анемона Nematostella vectensis, подобные универсальные клетки найти не удавалось. Клетки анемоны казались более специализированными, и источник пополнения тканей оставался неизвестным. Это ставило перед биологами вопрос: является ли система стволовых клеток гидры уникальным исключением, или же у всех стрекающих существует общий, но скрытый механизм обновления тканей?

Чтобы ответить на этот вопрос, группа исследователей из Венского университета применила методы молекулярной генетики для отслеживания судьбы клеток в реальном времени.

Генетические маркеры «бессмертия»

В центре исследования оказались два семейства генов: nanos и piwi. В биологии развития эти гены считаются классическими маркерами зародышевой линии.

• Белки Piwi связываются со специфическими молекулами РНК (piRNA) для подавления мобильных генетических элементов (транспозонов). Это защищает геном половых клеток от мутаций.
• Белки Nanos регулируют трансляцию РНК, предотвращая преждевременную специализацию клеток и поддерживая их способность к делению.

У большинства животных, от мух до людей, активность этих генов жестко ограничена половыми органами. Обнаружение piwi или nanos вне гонад, как правило, свидетельствует о патологии или ошибке. Однако исследователи предположили, что у организмов с высокой регенерацией эти гены могут выполнять более широкие функции.

Для проверки гипотезы ученые создали трансгенные линии анемон Nematostella. В геном животных был встроен генетический конструкт, который заставлял клетки вырабатывать флуоресцентный белок при активации генов nanos2 и piwi1. Это позволило визуализировать активность этих генов в живом организме: клетки, использующие половые гены, начинали светиться под микроскопом.

Соматическая функция половых генов

Результаты визуализации показали, что экспрессия nanos2 и piwi1 не ограничивается областью формирования гамет. Светящиеся клетки были обнаружены в различных тканях взрослого полипа, формируя сложные сети.

Чтобы понять, во что превращаются эти клетки, ученые использовали метод отслеживания клеточных линий и секвенирование РНК единичных клеток. Анализ показал, что популяция клеток, экспрессирующая nanos2 и piwi1, является источником не только для половых клеток, но и для соматических тканей нейрогландулярной линии. Эти клетки-предшественники мигрируют и дифференцируются в:

1. Сенсорные и моторные нейроны, формирующие нервную сеть полипа.
2. Железистые клетки, отвечающие за секрецию ферментов и слизи.
3. Книдоциты (стрекательные клетки) — уникальное оружие книдарий.

Это наблюдение разрушает классическое представление о функциональной сегрегации генов. Гены, которые эволюция позже закрепила за функцией размножения, у предковых форм животных служили универсальным инструментом для поддержания пула недифференцированных стволовых клеток, необходимых для построения и обновления тела.

Эксперимент с выключением гена

Для подтверждения функциональной значимости гена nanos2 исследователи применили технологию геномного редактирования CRISPR/Cas9. Они создали мутантных особей, у которых ген nanos2 был полностью выключен.

Наблюдение за развитием мутантов привело к двум основным выводам:

1. Полная стерильность. У анемон с выключенным nanos2 полностью отсутствовали половые клетки. Ни ооциты (предшественники яйцеклеток), ни сперматозоиды не формировались. Это подтверждает, что роль nanos2 в гаметогенезе является критической и консервативной — она сохраняется на протяжении сотен миллионов лет эволюции. Без этого белка формирование половой системы невозможно.

2. Сохранность нервной системы. Вопреки тому, что nanos2 экспрессируется в предшественниках нейронов, его отключение не привело к исчезновению нервной системы или гибели животных. Мутантные полипы росли, реагировали на раздражители и питались так же, как и обычные особи.

Этот парадокс объясняется генетической избыточностью. В геноме Nematostella присутствует другой ген из того же семейства — nanos1. Исследования показали, что nanos1 также активен в нейрональных предшественниках. Вероятно, при отсутствии nanos2 его дублер берет на себя функции по регуляции развития нервной ткани, обеспечивая выживание организма. Однако в половой системе такая компенсация не срабатывает, что приводит к стерильности.

Эволюционные последствия открытия

Работа, проведенная на Nematostella vectensis, позволяет реконструировать эволюционную историю многоклеточных животных. Она доказывает, что общий предок всех книдарий обладал популяцией мультипотентных стволовых клеток, способных давать начало как соматическим, так и половым линиям.

Система стволовых клеток морской анемоны оказалась функционально аналогичной системе гидры, несмотря на анатомические различия. Это означает, что механизм поддержания «вечной молодости» через постоянное обновление тканей из универсальных предшественников является базовым свойством для этой группы животных.

Более того, исследование демонстрирует глубокую молекулярную связь между нервной и половой системами. Тот факт, что одни и те же транскрипционные факторы и РНК-связывающие белки (Nanos, Piwi, Vasa) регулируют развитие столь разных типов тканей, указывает на их общее эволюционное происхождение.

В процессе эволюции более сложных животных (билатерий) произошла специализация: функции этих генов сузились до обслуживания только половой системы, что обеспечило надежную защиту наследственной информации, но лишило организм способности к тотальной регенерации. Книдарии же сохранили предковое состояние, в котором границы между «сомой» и «зародышем» остаются проницаемыми, что и обеспечивает им их исключительную живучесть и регенеративный потенциал.

Вот так, изучение примитивных морских беспозвоночных проливает свет на фундаментальные принципы организации живой материи, показывая, что разделение на смертное тело и бессмертные половые клетки не является единственно возможным сценарием существования сложного организма.

Источник: Science Advances