Биологи заставили плоских червей отрастить головы и мозги других видов

Биологи из Университета Тафтса добились того, что один вид плоских червей стал отращивать головы и мозг, характерные для другого вида, без изменения геномной последовательности. Работа раскрывает физиологические цепи как новый вид эпигенетики — информации, существующей вне геномной последовательности, — которая определяет крупномасштабную анатомию.

Тот факт, что форма головы не жёстко запрограммирована геномом, а может быть переопределена путём манипуляции электрическими синапсами в теле, предполагает, что различия между видами могут частично определяться активностью биоэлектрических сетей. Это открытие может помочь лучше понять врождённые дефекты и регенерацию, выявив новый путь контроля сложного формирования паттернов. Давно известно, что нейронные сети используют биоэлектрические синапсы для хранения и перезаписи информации в мозге.

Результаты подробно описаны в главной статье ноябрьского выпуска 2015 года International Journal of Molecular Sciences, опубликованной онлайн 24 ноября.

«Общепринято считать, что последовательность и структура хроматина — материала, из которого состоят хромосомы, — определяют форму организма, но эти результаты показывают, что функция физиологических сетей может переопределять анатомию, заданную по умолчанию для конкретного вида», — говорит старший и корреспондирующий автор статьи Майкл Левин, доктор философии. «Модулируя связность клеток через электрические синапсы, мы смогли получить морфологию головы и паттерн мозга, принадлежащие совершенно другому виду, от животного с нормальным геномом».

Знание того, как определяется форма и как на неё влиять, важно, потому что биологи могли бы использовать эти знания, например, для исправления врождённых дефектов или стимуляции роста новых биологических структур после травмы, добавляет Левин. «Эти выводы поднимают важные вопросы о том, как гены и биоэлектрические сети взаимодействуют для построения сложных структур тела», — говорит он.

Работая с Girardia dorotocephala — свободноживущими планариями, обладающими замечательной регенеративной способностью, — исследователи смогли индуцировать развитие различных видовых форм головы, прерывая щелевые контакты. Эти белковые каналы позволяют клеткам общаться друг с другом, передавая электрические сигналы. Изменения были не поверхностными; они включали не только общую форму головы, но и форму мозга и распределение взрослых стволовых клеток червя.

Лёгкость, с которой конкретную форму можно было вызвать у червя G. dorotocephala, была пропорциональна эволюционной близости целевого вида. Чем ближе были родственны два вида, тем легче было осуществить изменение. Это наблюдение укрепляет связь с эволюционной историей, предполагая, что модуляция физиологических цепей может быть ещё одним инструментом, используемым эволюцией для изменения планов строения тела животных.

Однако, в отличие от предыдущей работы лаборатории Левина, в которой другой вид планарий можно было навсегда изменить на двухголовую морфологию, это изменение формы было лишь временным. Через несколько недель после того, как планарии завершили регенерацию до форм головы другого вида, черви снова начали перестраиваться и вернули свою первоначальную морфологию головы. Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, как это происходит. Авторы также представили вычислительную модель, объясняющую, как изменения в межклеточной коммуникации могут порождать разнообразные типы форм.

Первым автором статьи была студентка бакалавриата Тафтса Майя Эммонс-Белл. «Мы продемонстрировали, что электрические связи между клетками предоставляют важную информацию для видовоспецифичного формирования паттерна головы во время регенерации у планарий», — говорит она. «Этот вид информации будет иметь решающее значение для прогресса в регенеративной медицине, а также для лучшего понимания эволюционной биологии».

Междисциплинарное исследование объединило биологов из США и Канады и европейских математиков.