Эволюция стволовых клеток прослежена в исследовании окаменелых зубов грызунов

Изучив окаменелые зубы тысяч вымерших видов грызунов, ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Хельсинкского университета показали, как фундаментальные эволюционные механизмы приводят к появлению новых стволовых клеток млекопитающих.

У всех ныне существующих видов грызунов постоянно растут резцы, чьи коронки непрерывно обновляются по мере стачивания, но только у некоторых видов есть постоянно растущие моляры. Возможность непрерывного роста зубов обеспечивается резервуарами стволовых клеток у корня каждого зуба, которые постоянно создают коронку.

Ученые обнаружили, что большинство видов грызунов, у которых сейчас нет постоянно растущих моляров, обладают эволюционным потенциалом для приобретения зубных стволовых клеток, делающих это возможным. Финальный этап развития — приобретение таких зубов — может быть довольно простым. Исследование показывает, что эволюция сложных признаков, таких как ниши взрослых стволовых клеток, требует лишь небольшого набора эволюционных давлений и может быть объяснена удивительно простыми имитационными моделями.

Исследователи изучили эволюционные изменения высоты моляров у североамериканских грызунов за период в 50 миллионов лет, чтобы определить, демонстрирует ли появление постоянно растущих моляров особую закономерность в палеонтологической летописи. Новое исследование, опубликованное 23 апреля 2015 года в Cell Reports, впервые связывает палеонтологические данные с эволюцией резервуаров (ниш) стволовых клеток в любом органе.

"Несмотря на значительные недавние успехи в области биологии стволовых клеток, эволюционные механизмы, порождающие новые ниши стволовых клеток, остаются практически неисследованными", — сказал Офир Кляйн, старший автор исследования.

Доступ к обширным данным об окаменелых зубах был критически важен, потому что зубы — единственные органы, которые можно найти в окаменелом виде, и "единственный прокси, который у нас есть для поведения стволовых клеток в палеонтологической летописи".

Ученые проанализировали 3550 окаменелостей североамериканских грызунов возрастом от 2 до 50 миллионов лет. В конечном итоге они изучили 1169 окаменелостей.

50 миллионов лет назад у всех грызунов были короткие моляры, как и у людей. Но по мере похолодания климата и увеличения засушливости в кайнозойский период ландшафт превратился в степи, а растения в рационе грызунов стали более грубыми и абразивными. Со временем у многих развились все более высокие щечные зубы, что давало им конкурентное преимущество. "Причина зубов с более высокой коронкой в том, что у животного больше зуба для стачивания", — пояснил Кляйн.

Команда обнаружила, что как только зубы начали расти даже немного выше, путь к постоянно растущим зубам со стволовыми клетками стал неотвратимым. "Вы заперты на этой траектории", — сказал Кляйн. К плиоцену, 5 миллионов лет назад, около 75% всех видов североамериканских грызунов имели моляры с высокой коронкой.

Это открытие поддерживает так называемую гипотезу Красной Королевы в эволюционной биологии, которая гласит, что, начав эволюционный путь, виды должны постоянно адаптироваться, чтобы не отстать.

"Что это говорит вам, так это то, что вы, по сути, никогда не возвращаетесь назад", — сказал Кляйн. "Вероятно, потому, что стоимость наличия постоянно растущих зубов относительно низка, поэтому, даже если они больше не нужны в новой среде, они не исчезают".

Модель, созданная исследователями, предсказывает, что в далеком будущем более 80% видов грызунов будут иметь постоянно растущие щечные зубы.

Что касается механизма, позволившего перейти от более длинных зубов к постоянно растущим, Кляйн считает, что он, вероятно, связан с регуляторным элементом ДНК, активирующим транскрипцию одного или нескольких генов. "Вероятно, этот процесс включал повторное использование тех же генов, которые обеспечивают постоянный рост резцов, чтобы включить этот процесс в коренных зубах".

Следующим шагом будут эксперименты на мышах, чтобы проверить, являются ли генетические механизмы увеличения высоты зуба и удержания стволовых клеток частью одного регуляторного континуума.

Люди, отмечает Кляйн, вряд ли эволюционируют в сторону постоянно растущих зубов, поскольку у нас сейчас короткие зубы и нет эволюционного давления, заставляющего нас приобретать более длинные. Даже если бы оно было, "нам пришлось бы пройти через несколько этапов, которые заняли бы миллионы лет".