Новая деталь в загадке гипофиза: пересмотр эволюционной истории

Новое исследование под руководством Университета Южной Калифорнии (USC) предполагает изменение представлений о развитии и эволюции гипофиза.

Эта железа размером с горошину, расположенная в основании мозга, производит гормоны, управляющие ростом, агрессией, половым развитием и репродукцией. Десятилетиями считалось, что передняя доля гипофиза (где производятся гормоны) — это эволюционное новшество, возникшее у позвоночных вместе с ухом, носом и хрусталиком глаза.

Согласно широко принятой «гипотезе новой головы», все эти части тела происходят из особого типа эмбриональной структуры, расположенной в эктодерме (наружном слое зародыша). При этом у животных со спинным мозгом, но без позвоночника (считающихся более ранним эволюционным этапом), есть похожая на гипофиз структура, которую ранее считали имеющей иное происхождение — из энтодермы (внутреннего зародышевого слоя).

В статье, опубликованной в Science, исследователи из USC представили доказательства, что у некоторых позвоночных энтодерма также формирует часть передней доли гипофиза — идея, бывшая предметом научных споров более 100 лет. Результаты исследования, поддержанного крупным грантом Национальных институтов здоровья (NIH), предполагают, что железа может иметь более долгую эволюционную историю, чем считалось ранее.

«Мы пересмотрели очень старые наблюдения с помощью передовых технологий, которые доказывают идею об энтодермальном вкладе в гипофиз», — сказал старший автор Гейдж Крамп, профессор стволовых клеток и регенеративной медицины в Медицинской школе Кека при USC. — «Наша работа меняет представления о том, какой эмбриональной структурой является гипофиз и когда он впервые эволюционировал».

Детективная работа в области развития

Крамп и его коллеги изучали рыб данио-рерио — модельный организм, полезный отчасти потому, что их развитие «открытая книга» для исследователей: яйца оплодотворяются внешне, а эмбрионы почти прозрачны. Команда использовала новые лабораторные методы собственной разработки, чтобы пометить эмбриональные клетки рыб и проследить их потомков до взрослого состояния.

Кроме того, они применяли покадровую съемку с помощью мощного микроскопа и секвенирование РНК единичных клеток. Последняя технология связана с секвенированием ДНК, но вместо характеристики всего генетического кода она показывает, какие гены экспрессируются и в каком количестве для каждой из тысяч клеток одновременно — мощный способ понять природу изучаемых клеток.

В серии экспериментов с покадровой съемкой эмбрионов данио команда зафиксировала слияние кармана Ратке (структуры из наружного слоя, ранее считавшейся единственным источником передней доли гипофиза) с карманом Зесселя (структурой из внутреннего слоя). Их наблюдения показывают, что энтодерма ответственна примерно за 20% клеток передней доли гипофиза.

Другой эксперимент по отслеживанию судьбы эмбриональных клеток у взрослых рыб показал смесь клеток эктодермального и энтодермального происхождения в гипофизе. Изучив экспрессию генов с помощью секвенирования РНК, ученые обнаружили, что клетки из внутреннего энтодермального слоя дифференцируются во все основные типы гормон-продуцирующих клеток гипофиза. Более того, у генетически модифицированных эмбрионов данио, лишенных эктодермального компонента, энтодермальные клетки могли самостоятельно формировать гипофизоподобную структуру, хотя и гораздо меньшего размера, чем нормальный гипофиз.

В совокупности эти исследования ясно демонстрируют вклад энтодермы в формирование гипофиза у данио-рерио. Это неожиданное открытие предполагает, что квази-гипофиз, наблюдаемый у некоторых более примитивных беспозвоночных животных (странных и в основном малоизученных подводных существ), мог сохраниться в той или иной форме, по крайней мере, у некоторых их эволюционных потомков с позвоночником.

Крамп, который также является основателем программы PhD по развитию, стволовым клеткам и регенеративной медицине в USC, предостерегает, что еще предстоит выяснить, сохраняется ли этот реликт у людей.

«Возможно, рыбы сохранили эту ancestral feature (признак предков), а люди его утратили», — сказал он. — «Мы видим, что гипофиз — не абсолютно новая структура позвоночных, как нос, ухо или хрусталик, а уже присутствовал до появления позвоночных и впоследствии включил новые вклады эктодермы. Зафиксировав этот эволюционный реликт у данио, мы разрешили загадку происхождения гипофиза».

Старая идея, которая вернулась (неожиданно)

Еще в середине 1910-х годов анатомы сообщали о тесной связи кармана Ратке с карманом Зесселя. Карман Ратке давно понимался как источник эндокринного компонента гипофиза. В то же время судьба и назначение кармана Зесселя оставались загадкой — до сегодняшнего дня.

Для исследователей начала XX века (и в целом с тех пор) не было хороших способов дальше изучать связь между двумя эмбриональными структурами и, следовательно, возможность энтодермального вклада в гипофиз. Вначале горячо дебатировавшаяся, эта тема со временем превратилась скорее в исторический курьез.

К счастью, первый автор статьи Питер Фабиан, постдокторант Медицинской школы Кека, был хорошо знаком с этим прецедентом. Тестируя одну из новых техник маркировки и отслеживания эмбриональных клеток, разработанную коллегами из Института медицинских открытий Санфорда Бернема Пребиса, он заметил энтодермальные клетки в гипофизе. В его голове загорелась лампочка.

«Это было случайное открытие», — сказал Крамп. — «Нас вообще интересует энтодерма, но мы не ставили целью изучать гипофиз. Поскольку это было такое неожиданное наблюдение, нам действительно пришлось доказывать его несколькими независимыми линиями исследований».