Древняя актиния проливает свет на эволюцию типов клеток животных

Одна из главных задач биологии — понять, как каждая клетка тела животного несёт идентичный геном, но при этом даёт начало множеству различных типов клеток и тканей. Нейрон не похож и не ведёт себя как мышечная клетка, хотя имеет ту же ДНК.

Исследователи полагают, что всё сводится к тому, как клетки позволяют считывать разные части генома. Контролируют эти «разрешения» регуляторные элементы — участки генома, которые включают или выключают гены. Детальное понимание этого процесса в основном ограничено несколькими классическими модельными организмами, такими как мыши и плодовые мушки.

Картирование регуляторных элементов у актиний

Впервые исследователи создали карту, объясняющую, как геном приводит к появлению разных типов клеток у звездчатой актинии Nematostella vectensis.

Актинии вместе с медузами и кораллами относятся к группе животных, называемых стрекающими (cnidarians). Это одни из самых ранних животных в эволюционной истории, впервые появившихся на Земле около полумиллиарда лет назад.

Исследование систематически анализирует «регуляторную логику», определяющую клеточную идентичность у актинии Nematostella. Вместо описания типов клеток через гены, атлас описывает регуляторные элементы, которые их строят и поддерживают. Работа даёт представление о том, какая последовательность в геноме кодирует согласованную активность этих регуляторных сетей.

Понимание развития и эволюции клеток

Карта, опубликованная сегодня в Nature Ecology & Evolution, позволяет сравнивать типы клеток новым способом. Группировка клеток по активным генам помогает классифицировать их по функции. Но, что удивительно, группировка по регуляторным элементам вместо этого рассказывает об их истории развития, объясняя, из какого зародышевого листка они произошли. Это открывает дверь для изучения того, как схожие типы клеток могут возникать из разных зародышевых листков не только в развитии, но и в ходе эволюции.

Например, в работе изучались два типа мышечных клеток, которые выглядят схоже, сокращаются похожим образом и используют почти одни и те же гены, несмотря на происхождение из разных эмбриональных листков. Атлас показал, что гены в этих клетках контролируются совершенно разными регуляторными элементами.

«Экспрессия говорит нам, что делают клетки, но регуляторная ДНК говорит нам, откуда они взялись, как развивались и из какого зародышевого листка произошли», — объясняет доктор Марта Иглесиас, постдок Центра геномной регуляции и соавтор исследования.

«Наша работа подчёркивает силу сочетания одноклеточных геномных данных с моделями глубокого обучения для декодирования регуляторной информации, содержащейся в этих геномах», — добавляет доктор Анамария Элек, постдок Центра геномной регуляции и соавтор исследования.

Эволюционное значение регуляции генов

Стрекающие — одни из первых животных, у которых появились нейроны и мышечные клетки, а также у них есть уникальный тип клеток — книдоциты. Эти клетки содержат крошечные гарпуноподобные структуры, используемые для захвата добычи и защиты от хищников, а также вызывающие ощущение жжения при прикосновении к медузе или актинии.

Для эволюции сети регуляции генов — это творческий инструмент. Это означает, что новые типы клеток и тканей могут возникать только за счёт изменения регуляторных «переключателей» генов. Это могло облегчить эволюцию сложного клеточного разнообразия даже на ранних этапах истории животных. Работа закладывает основу для понимания того, как впервые возник тип клеток, который даёт медузам и актиниям характерное жало.

По мере того как научное сообщество создаёт больше атласов регуляторных сетей у других животных на древе жизни, включая виды, у которых нет книдоцитов, можно начать задаваться вопросом, какие части этой схемы древние, какие новые и что изменилось с появлением новых типов клеток.

«Это исследование открывает целый новый мир возможностей. В дальнейшем мы будем исследовать клеточную эволюцию животных, сравнивая информацию о геномных последовательностях, и впервые мы можем делать это систематически и в большом масштабе», — говорит профессор ICREA Арнау Себе-Педрос из Центра геномной регуляции в Барселоне.

Масштаб и значение открытия

Исследователи построили карту, изучив 60 000 отдельных клеток из тела актинии. Их получили из двух разных стадий жизни: около 52 000 из целых взрослых особей и 7 000 из эмбрионов на стадии гаструлы — раннего момента развития, когда формируется базовый план тела. На основе этого был создан подробный каталог из 112 728 регуляторных элементов.

Масштаб открытия удивителен, учитывая, что геном Nematostella vectensis составляет около 269 миллионов пар оснований. Это существенно превышает предыдущие оценки и приближается к тому же количеству регуляторных элементов, о которых сообщалось у плодовой мушки Drosophila, чей геном имеет схожий размер около 180 миллионов пар оснований, но которая принадлежит к линии, появившейся на Земле на сотни миллионов лет позже.

Это открытие предполагает, что инструментарий для геномной регуляции у сложных животных существовал задолго до появления самих сложных тел. Правила, которые позволяют нашим нейронам возбуждаться, а мышцам сокращаться сегодня, уже были на месте многие сотни миллионов лет назад у животных, дрейфовавших в древних морях.