Функциональные принципы эволюции глаз: светочувствительные стволовые клетки дают новое понимание

Новое исследование под руководством Венского университета и Института Альфреда Вегенера в Бремерхафене показывает, как глаза взрослых морских многощетинковых червей продолжают расти на протяжении всей жизни. Этот рост обеспечивается кольцом нейральных стволовых клеток, напоминающим аналогичные структуры в глазах позвоночных. Более того, эти стволовые клетки реагируют на свет окружающей среды.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, дает новое понимание фундаментальных принципов эволюции глаз и роли света в формировании взрослой нервной системы даже у организмов, которые часто считаются довольно простыми.

Разные глаза, схожий рост

Камерные глаза у беспозвоночных и позвоночных — классический пример параллельной эволюции, возникшей независимо как схожее решение одной биологической задачи.

Чтобы изучить, как такие глаза продолжают развиваться, команда исследовала глаза взрослых червей Platynereis dumerilii — модельной системы, долгое время используемой для изучения фундаментальных принципов функции фоторецепторов и эволюции мозга.

Используя секвенирование РНК единичных клеток, первый автор Надя Миливоев из Венского университета идентифицировала молекулярные маркеры, характерные для стволовых клеток, и определила, где эти клетки расположены и активны в сетчатке червя.

Ее анализ выявил отчетливую зону на краю сетчатки, плотно заполненную нейральными стволовыми клетками, которые активно делятся, когда глаз взрослой особи растет.

«Было удивительно обнаружить делящиеся клетки на краю сетчатки червя — в том же месте, где некоторые группы позвоночных сохраняют свои ретинальные стволовые клетки для пожизненного роста глаза», — говорит Миливоев.

Эта так называемая «цилиарная краевая зона», как полагают, поддерживает непрерывный рост глаза — паттерн, теперь обнаруженный и в сетчатке многощетинкового червя.

«У позвоночных с пожизненным ростом, таких как рыбы и амфибии, подобные стволовые клетки снабжают глаз новыми нейронами сетчатки по мере развития животного», — объясняет старший автор Флориан Райбль.

«Примечательно, что работа Нади показала, что глаза червей также могут добавлять новые фоторецепторные клетки и увеличивать свой размер — черта, которая плохо изучена за пределами линии позвоночных», — добавляет он.

Свет как регулятор

Еще более увлекательным стало открытие, что рост глаз у взрослых червей также регулируется светом в их среде.

Детальный генетический и молекулярный анализ показал, что этот эффект опосредован c-опсином — светочувствительной молекулой, также присутствующей в палочках и колбочках сетчатки позвоночных.

Хотя предыдущие исследования показали, что глаза червей используют другое семейство молекул опсинов, новое открытие о присутствии опсина позвоночного типа стало большим сюрпризом.

Миливоева и коллеги обнаружили, что эта светочувствительная молекула присутствует в ранних предшественниках фоторецепторных клеток червя, что позволяет предположить, что она действует как молекулярный переключатель, связывающий свет окружающей среды с активностью стволовых клеток. Открытие подчеркивает, что зрительные системы не только воспринимают свет, но и их развитие также может регулироваться светом.

Эволюционные параллели

Эти результаты заполняют давний пробел в понимании того, как растут и поддерживаются глаза беспозвоночных и позвоночных. Открытие того, что глаза Platynereis полагаются на кольцо нейральных стволовых клеток, приближает биологов к пониманию универсальных принципов, лежащих в основе эволюции сенсорных органов.

Это также поднимает новые вопросы. Могут ли другие нейральные стволовые клетки в организме также реагировать на свет окружающей среды? И как искусственное освещение может нарушить такие естественные регуляторные системы?

«Очевидно, что фундаментальные исследования для обнаружения неожиданного необходимы, чтобы понять биологическую сложность жизни и возможные последствия антропогенных воздействий», — заключает старший автор Кристин Тесмар-Райбль.