Клеточная дифференцировка — процесс, во время которого клетки приобретают некоторые свойства и начинают выполнять конкретные функции. Предполагалось, что по мере развития организма каждая клетка получает четкую специализацию, которая со временем не меняется.
Что происходит с клетками существ, которым свойственна стадия полного или неполного метаморфоза? По оценкам специалистов, примерно 80 процентов видов животных проходят этап, на котором организм резко меняет форму и строение тела. Гусеница превращается в бабочку, головастик становится лягушкой, а морские беспозвоночные преодолевают путь от личинки до взрослой особи. У многих животных личинка и взрослая особь настолько сильно отличаются друг от друга, что выглядят как совершенно разные организмы.
Раньше одни ученые полагали, что у тех же личинок по мере трансформации старые клетки погибают, а взрослое тело строится из клеток-предшественников. Другие считали, что клетки на самом деле сохраняют свои свойства, даже когда организм взрослеет. Например, клетка кожи личинки постепенно становится клеткой кожи взрослого животного, мышечная клетка остается мышечной и так далее.
Американская команда генетиков и эволюционных биологов под руководством Кристофера Лоу (Christopher Lowe) из Стэнфордского университета решила выяснить, что на самом деле происходит с клетками личинки во время метаморфоза. В качестве испытуемого они выбрали морского желудевого червя Schizocardium californicum, обитающего в Тихом океане.
Его выбрали по двум причинам. Во-первых, это удобная модель для изучения метаморфоза: за одну жизнь червь проходит очень резкую перестройку — личинка превращается в сильно отличающуюся по строению донную взрослую особь. Причем основная часть этих изменений происходит всего за 24-48 часов. Это позволяет проследить, что случается с клетками при перестройке всего организма.
Во-вторых, Schizocardium californicum относится к полухордовым (Hemichordata) — близкой к хордовым группе вторичноротых животных. Полухордовые вместе с иглокожими образуют сестринскую по отношению к хордовым ветвь эволюционного дерева. Поэтому изучение их развития помогает ученым лучше понять, как формировались и эволюционировали вторичноротые животные.
Лоу и его коллеги проанализировали более 87 тысяч клеток на пяти этапах развития Schizocardium californicum. Затем с помощью одноклеточного РНК-секвенирования для каждой определили набор активных генов. Такой подход позволил понять специализацию клеток и выяснить, к каким типам они относятся.
Исследователи выявили 56 клеточных кластеров, которые затем объединили в 12 крупных классов клеток: нервные, мышечные, эндодермальные, мезодермальные, иммунные, секреторные и другие. Потом эти клеточные группы сопоставили между разными стадиями жизни червя.
Когда ученые сравнили работу генов в клетках личинки и взрослого червя, они увидели важную особенность. Клетки, которые во взрослом организме выполняют разные функции, на личиночной стадии часто имели похожие наборы активных генов. Их генетическая программа еще не соответствовала в полной мере той специализации, которую они приобретали после метаморфозы.
Проще говоря, личиночные клетки еще не работали так, как их взрослые аналоги. Во время метаморфоза они сохранялись, но перестраивали работу своих генов и приобретали новые функции.
Особенно хорошо это видно на нервных клетках. Личиночные клетки, из которых формировались взрослые нейроны, по набору активных генов иногда сильнее напоминали клетки кишечника личинки, чем нейроны взрослого червя. Это не значит, что нервная клетка превращалась в клетку кишечника. Просто на ранней стадии разные типы клеток имели больше общего, а во время метаморфоза их генетические программы становились все более различными. Так клетки, сохраняясь в организме, постепенно приобретали специализацию — «выбирали» свою окончательную судьбу.
Получается, многие старые клетки не уничтожаются и не замещаются новыми, а сохраняются, меняя внутреннюю программу. Клетка словно получает новый набор инструкций и начинает работать по-другому.
Правда, не все типы клеток меняли свою функцию. Мышечные и некоторые мезодермальные клетки, из которых формируются отдельные органы, в процессе перехода от личинки ко взрослой особи сохраняли прежнюю специализацию.
Чтобы убедиться, действительно ли клетки переживают метаморфоз, исследователи на 48 часов давали личинкам EdU — молекулу, которая встраивается в ДНК делящихся клеток. Затем животных переносили в чистую воду и наблюдали за ними до завершения основной стадии превращения. Через несколько недель EdU обнаруживали уже у взрослых червей, что свидетельствовало о сохранении по крайней мере некоторых клеток личинки.
Авторы нового исследования полагают, что полученные результаты позволят шире взглянуть на клеточную дифференцировку. Перепрограммирование клеток может играть важную роль в метаморфозе и, возможно, встречаться и у других животных со сложным жизненным циклом. Проверить, насколько распространен такой механизм, предстоит в дальнейших исследованиях.
Научная работа опубликована в журнале Nature Communications.