Исследователи из Швейцарии сообщили, что им удалось выяснить, каким образом пресноводная гидра заставляет свои клетки "кожи" работать вместо нервных клеток. Результаты этого исследования проливают свет на то, как в ходе эволюции возникали нейроны у ранних многоклеточных животных.
Как многие помнят из школьных уроков биологии, гидра – небольшой пресноводный полип, относящийся к кишечнополостным животным. Тело гидры можно сравнить с мешочком с полостью внутри. В мешочек ведет отверстие, которое окружено несколькими щупальцами. В щупальцах содержатся стрекательные клетки, которые позволяют гидре парализовать своих жертв – мелких пресноводных рачков, затем добыча отправляется в ротовое отверстие. Стенка тела гидры состоит из двух слоев клеток. Клетки наружного слоя (эктодермы) выполняют покровную функцию, это «кожа» гидры, во внутреннем слое (эндодерме) находятся пищеварительные клетки: они выделяют во внутреннюю полость пищеварительные ферменты. И в эктодерме, и в эндодерме присутствуют мускульные клетки, которые, сокращаясь, дают возможность гидре двигаться. Мускульные клетки эндодермы снабжены жгутиками, которые обеспечивают движение воды во внутренней полости, а также ложноножками, захватывающими кусочки пищи. В эктодерме гидры находится также сеть из нервных клеток.
Первым заметил пресноводных гидр знаменитый голландский натуралист Антони ван Левенгук, который в 1702 году писал Лондонскому королевскому обществу о выловленных им в одном из каналов города Дельфт «анималикул», которые были способны растягиваться и сокращаться, а также шевелить «рогами». Сообщение Левенгука было опубликовано в «Трудах Лондонского королевского общества», но, видимо, его заслонили известия о других его замечательных открытиях, и на «анималикул с рогами» никто особого внимания не обратил.
Слава к гидрам пришла немного позднее, когда их исследованиями стал заниматься Авраам Трамбле. Он родился в Швейцарии, а жил в Нидерландах, где работал учителем в семье графа Бентинка. В прудах графского имения Зоргфлит, недалеко от Гааги, Трамбле и выловил своих гидр. Он описал строение, питание, размножение и способы передвижения этих животных, проведя немало остроумных опытов. В частности, Трамбле разрезал гидру поперек, так что в верхней части оставались ротовое отверстие с щупальцами, а в нижней – подошва, которой гидра прикрепляется ко дну или к водным растениям. Ученые обнаружил, что вскоре из двух разрезанных частей появилось две гидры: «голова» отрастила себе новую подошву, а нижняя часть – «новую голову». В дальнейшем обнаружилось, что полип способен восстановиться, даже если его разрезать на 200 отдельных частей – из каждого кусочка вырастет новая гидра.
Исследование Трамбле под названием «Мемуары к истории одного рода пресноводных полипов с руками в форме рогов» было опубликовано в 1744 году. Описанные им существа стали очень популярными, и множество натуралистов, повторяя опыты Трамбле, убедилось в их удивительных свойствах. Трамбле впервые использовал для обозначения пресноводных полипов название «гидра», так как их способность к восстановлению утраченных частей тела напомнила ему миф о Лернейской гидре, у которой на месте отрубленных голов вырастали новые. В 1746 году слово Hydra было официально закреплено Линнеем в качестве родового названия.
Швейцарские ученые заинтересовались механизмом, который позволяет гидре при восстановлении из небольшого фрагмента получать клетки всех необходимых типов, в частности, нервные клетки. Обычно в организме гидры новые нервные клетки возникают благодаря особым клеткам, содержащимся между мускульными клетками. Их называют промежуточными, или интерстициальными клетками (i-клетки). Из i-клеток при делении возникают нервные, чувствительные, половые и стрекательные клетки гидры.
Если все i-клетки в организме удалить (этого экспериментаторы добиваются при помощи алкалоида колхицина или ионизирующего излучения), можно получить гидру без нервной системы. Она сохраняет способность к росту, регенерации и почкованию, но не может самостоятельно питаться. Так как без нервных клеток животное не реагирует на прикосновения, оно не в состоянии поймать добычу щупальцами. Гидр без нервных клеток в лаборатории ученые кормят искусственно.
Ученые из Женевского университета под руководством Бриджит Галио (Bridgitte Galliot) использовали современные методы секвенирования РНК у лишенных i-клеток и нейронов гидр, чтобы определить, как происходит у них экспрессия генов, участвующих в образовании нейронов и функционировании нервной системы.
Обычно в организме гидры экспрессия генов, задействованных в нейрогенезе, зависит от пространственного положения клетки. В центральной части тела работа таких генов ограничена, а в районе щупалец и подошвы, где сеть нейронов наиболее густая, эти гены работают с максимальной загрузкой. При отсутствии i-клеток и нервной системы экспрессия генов, ответственных за нейрогенез, в центральной части тела прекращается вовсе, зато эти гены начинают работать в некоторых клетках эпителия, покрывающего поверхность тела гидры.
Всего ученые определили 34 гена, чья экспрессия выросла по меньшей мере вдвое после потери гидрой нервной системы. Активность этих генов неуклонно росла в течение 11 суток после устранения i-клеток и оставалась на высоком уровне более трех недель. Исследователи пришли к выводу, что гидра приспосабливается к жизни без нервной системы путем активации генетической программы нейронов в клетках эпителия. Вероятно, это придает клеток поверхности тела хотя бы некоторую чувствительность и способность реагировать на внешние раздражители. Хотя пока еще точно не определено, как экспрессия того или иного гена влияет на функции клеток.
Бриджит Галио и ее коллеги полагают, что их исследование позволит выяснить истоки эволюции нейронов. Считается, что первые нервные клетки возникли из «протонейронов», имевшихся у общего предка всех многоклеточных животных. Возможно, что эти «протонейроны» были сходны с i-клетками гидры, светочувствительными клетками личинок губок или нейронами, контактирующими со спинномозговой жидкостью (CSF-contacting neurons). Затем эти протонейроны эволюционировали, со временем став приспособленными для выполнения специфических функций нервных клеток. Эксперимент швейцарских исследователей показывает, что есть вероятность и другого пути появления нейронов: из эпителиальных клеток, получивших новые функции.
О результатах исследования рассказывает статья в Philosophical Transactions of the Royal Society B.