Исследование эмбрионов миног проливает свет на эволюционное происхождение головы позвоночных
Происхождение черепа позвоночных — предмет споров среди эволюционных биологов. Одна гипотеза гласит, что голова развилась из сегментированных элементов туловища (позвонков и сомитов). Другая — что голова эволюционировала как новая, несегментированная часть тела.
Предыдущие исследования эмбрионов выявили рудименты сомитов в головной мезодерме (например, головные полости и сомитомеры), но их гомология с туловищными сомитами оставалась спорной. Проблему усугубляет недостаток исследований современных видов, таких как миноги, которые сохраняют примитивные черты, связанные с головной мезодермой.
Исследовательская группа под руководством доцента Такаюки Онаи из Университета Фукуи (Япония) применила методы трансмиссионной электронной микроскопии и серийной сканирующей электронной микроскопии (SBF-SEM) для изучения развития головной мезодермы и сомитов у эмбрионов миног.
Учёные также проанализировали морфологию и паттерны экспрессии генов у головохордовых и полухордовых (беспозвоночных), чтобы понять эволюционные истоки сомитов и головной мезодермы.
Чтобы выяснить наличие или отсутствие сомитов в головной мезодерме, исследователи сосредоточились на розетках — ключевых структурах сомитов, важных для последующего развития позвонков. Наблюдения показали, что в головной мезодерме миног есть клеточные кластеры, похожие на сомитные розетки.
Однако ультраструктурный анализ (SBF-SEM) и анализ экспрессии генов показали, что эти кластеры чётко отличаются от розеток. «Наблюдаемые нами клеточные кластеры, вероятно, являются особенностью миног, поскольку они не обнаруживаются в головной мезодерме эмбрионов миксин и акул», — поясняет д-р Онаи.
Анализ экспрессии генов также выявил отсутствие сегментарной экспрессии генов, связанных с сомитогенезом, что подтверждает их отличие от сомитов. Эти данные указывают, что розеточная организация — не обязательный базовый признак, определяющий процесс сегментации тела.
Результаты свидетельствуют, что головная мезодерма позвоночных дивергировала на ранних этапах эволюции позвоночных. Сравнение эмбрионов полухордовых, ланцетника и позвоночных показало, что сомиты, вероятно, произошли от ткани «эндомезодермы» древнего предка вторичноротых.
Что касается механизма возникновения головной мезодермы, было установлено, что она появилась в результате сегрегации мезодермальных генов между передней и задней частями организма (рострально-каудальная ось).
«Наши результаты указывают на иное эволюционное происхождение головной мезодермы позвоночных, предполагая, что она эволюционировала из репаттернинга древней мезодермы и дивергировала ещё до появления челюстноротых позвоночных», — заключает д-р Онаи.
Итог: открытие, что клеточные кластеры в головной мезодерме морфологически и молекулярно отличны от сомитов, поддерживает новую модель, согласно которой головная мезодерма позвоночных обособилась в ходе ранней эволюции. Это проливает свет на давние дебаты об эволюции головы позвоночных и помогает углубить понимание нашего собственного происхождения.
Исследование опубликовано в журнале iScience.