Новая теория происхождения клеток, давших начало позвоночным

Яркая окраска зебр, массивные челюсти акул, инстинкт "бей или беги" и разнообразные клювы дарвиновых вьюрков. Эти и другие замечательные черты позвоночных животных мира происходят от небольшой группы мощных клеток — клеток нервного гребня, но об их происхождении известно мало.

Учёные из Северо-Западного университета предлагают новую модель возникновения клеток нервного гребня, а следовательно, и позвоночных, более 500 миллионов лет назад.

Исследователи сообщают, что, в отличие от других ранних эмбриональных клеток, потенциал которых постепенно ограничивается по мере развития эмбриона, клетки нервного гребня сохраняют молекулярные основы, контролирующие плюрипотентность — способность давать начало всем типам клеток, из которых состоит тело.

"Это исследование даёт глубокое новое понимание эволюционного происхождения человека и других позвоночных, — говорит эволюционный молекулярный биолог Кэрол ЛаБонн, руководившая работой. — Оно также предоставляет критически важную новую информацию о молекулярных механизмах работы стволовых клеток, включая раковые стволовые клетки".

Учёные в области регенеративной медицины получили обновлённую основу для будущих исследований, направленных на использование силы стволовых клеток для лечения болезней человека и врождённых дефектов.

Исследование также переворачивает общепринятые представления. Ранее учёные полагали, что клеткам нервного гребня пришлось эволюционировать, чтобы обрести свои невероятные свойства, но работа показывает, что эта сила была у них изначально. Теперь исследователи могут сосредоточиться на молекулярных механизмах, благодаря которым клетки нервного гребня избежали ограничения своего потенциала.

В исследовании на эмбрионах лягушки Xenopus ЛаБонн и её команда обнаружили, что клетки нервного гребня и ранние плюрипотентные клетки, присутствующие в эмбрионах бластулы, имеют удивительное сходство, включая общую экспрессию ключевого набора генов, которые работают вместе, чтобы наделить клетки их уникальными свойствами.

"Клетки нервного гребня никогда не ограничивали свой потенциал, — говорит ЛаБонн. — Мы считаем, что небольшая популяция ранних стволовых клеток была отложена в сторону, чтобы, когда придёт время, их огромный развивающий потенциал мог быть раскрыт для создания новых черт, характерных для позвоночных".

Приобретение клеток нервного гребня более 500 миллионов лет назад привело к эволюции позвоночных и позволило им оставить позади менее сложные формы жизни (простых водных фильтраторов, подобных современным асцидиям и ланцетникам). С этими клетками у животных развились важные новые черты: череп для размещения сложного мозга, челюсти для хищничества, сложная периферическая нервная система и многие другие типы клеток, необходимые для тела позвоночного.

В своём исследовании команда ЛаБонн изучила генетический "инструментарий", который ранние эмбриональные клетки используют для поддержания плюрипотентности, и сравнили его с тем, который используют клетки нервного гребня. Они обнаружили, что этот инструментарий совпадает, и показали, что он важен для плюрипотентности в обоих типах клеток. Белки, происходящие от этого набора генов, работают вместе, позволяя возникать ошеломляющему разнообразию тканей из популяции одиночных клеток.

Один из этих белков, Snail1, был в фокусе предыдущих исследований лаборатории ЛаБонн. Было показано, что Snail1 играет ключевую роль в контроле не только огромного развивающего потенциала клеток нервного гребня, но и их способности к миграции и инвазивному поведению.

Раковые клетки заимствуют функцию Snail1 и других регуляторных белков нервного гребня, чтобы позволить формирование раковых стволовых клеток и опосредовать процесс метастазирования, при котором раковые клетки распространяются по всему телу, образуя новые опухоли. Таким образом, исследователи получают представление о роли Snail1 в раке, изучая его функцию в развивающемся эмбрионе.

Раньше считалось, что плюрипотентные клетки в эмбрионах бластулы существуют лишь временно. Новое исследование предполагает, что не все клетки ограничиваются на этих ранних стадиях. Вместо этого клетки нервного гребня могли эволюционировать как следствие того, что подмножество клеток бластулы сохранило активность регуляторной сети, лежащей в основе плюрипотентности.

Исследование подчёркивает, как много ещё предстоит открыть в эмбриональном развитии. Тело человека состоит из более чем 10 триллионов клеток, сложно организованных в ткани и органы, и всё это самоорганизуется из одной клетки — оплодотворённой яйцеклетки.

"Это захватывающий процесс, — говорит ЛаБонн. — Одна из великих граней биологии — понять, как генерируется сложность и как она эволюционирует, создавая то, что Чарльз Дарвин памятно назвал 'бесконечными формами, прекраснейшими'."