От червя к человеку: как изучение планарий раскрывает эволюцию и регенерацию почек

Исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрс, используя в качестве модели пресноводного плоского червя Schmidtea mediterranea (планарию), известного способностью регенерировать целый организм из крошечного фрагмента ткани, изучили, как эти животные заново выращивают свою выделительную систему. Работа, опубликованная в журнале Development, не только устанавливает планарий как ценную модель для изучения регенерации органов, но и даёт новые ключи к пониманию эволюционного происхождения почек млекопитающих.

Эволюционный мост между ветвями жизни

Большинство лабораторных моделей (мыши, плодовые мушки, круглый червь Ceanorhabditis elegans) относятся к двум основным эволюционным ветвям. Планарии же представляют третью, малоизученную группу — лофотрохозоев. Как отмечает руководитель исследования Алехандро Санчес Альварадо, игнорирование этой ветви подобно попытке восстановить генеалогическое древо, не учитывая всю материнскую линию.

Сложность выделительной системы планарий

В отличие от плодовых мушек и C. elegans, планарии обладают сложной выделительной системой — протонефридиями, которые функционально аналогичны почкам млекопитающих. Они сочетают процесс фильтрации под давлением с модификацией фильтрата, как и нефроны млекопитающих.

Электронная микроскопия, проведённая Йохеном Ринком и Хань Тхи-Ким Ву, показала, что протонефридиальный каналец организован иерархически:

• Дистальный каналец разветвляется на несколько проксимальных канальцев.
• Каждый проксимальный каналец заканчивается мерцательной клеткой (клеткой «пламени»).
• Эпителий, формирующий канальцы, состоит из фиксированной последовательности различных типов клеток по всей длине, что напоминает строение почки млекопитающих.

Это сходство указывает, что общий предок почки млекопитающих существовал ещё до разделения эволюционных ветвей. Гомологичные структуры у плодовых мушек и C. elegans со временем диверсифицировались и разошлись, утратив сходство с этим предком.

Механизмы регенерации и поддержания органа

Исследуя регенерацию протонефридиев (после ампутации головы червя орган полностью восстанавливается за неделю), учёные обнаружили, что канальцы развиваются из клеток-предшественников путём разветвляющего морфогенеза — того же процесса, который формирует лёгкие, почки или молочные железы у позвоночных.

Ключевую роль в этом процессе играет рецептор эпидермального фактора роста (EGFR5):

• Подавление его экспрессии во время регенерации блокирует разветвляющийся морфогенез, и протонефридии не формируются.
• Подавление EGFR5 у интактных червей нарушает структурную целостность уже существующих протонефридиев.

Это открытие показало, что в норме выделительная система планарий постоянно обновляется и поддерживается за счёт клеточного обновления.

Значение для медицины

Как подчёркивает Йохен Ринк, фундаментальное сходство молекулярного «инструментария» у всех животных делает понимание сборки выделительной системы червя релевантным для изучения физиологии и регенерации почек у человека. Модель планарии теперь можно использовать, чтобы понять фундаментальные процессы, которые обеспечивают долгосрочное поддержание формы и функции сложных органов у взрослого организма.