Клетки стрекания медуз раскрывают механизмы появления новых типов клеток

Книдоциты — или стрекательные клетки — характерные для морских анемонов, гидр, кораллов и медуз, являются отличной моделью для понимания возникновения новых типов клеток.

Новое исследование Корнеллского университета, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences 2 мая, показывает, что эти стрекательные клетки эволюционировали путем перепрофилирования нейрона, унаследованного от до-книдарийного предка.

"Эти удивительные результаты демонстрируют, как новые гены приобретают новые функции, чтобы двигать эволюцию биоразнообразия, — сказала Лесли Бабонис, доцент экологии и эволюционной биологии. — Они предполагают, что кооптация унаследованных типов клеток была важным источником новых клеточных функций на ранних этапах эволюции животных".

Понимание того, как возникают специализированные типы клеток, является ключевой задачей эволюционной биологии. Почти столетие известно, что книдоциты развиваются из пула стволовых клеток, который также дает начало нейронам, но до сих пор никто не знал, как эти стволовые клетки решают, создать нейрон или книдоцит.

Книдоциты ("cnidos" по-гречески "жгучая крапива"), общие для видов в типе Cnidaria, могут запускать токсичное жало или каплю, чтобы оглушить добычу или отпугнуть захватчиков. Книдарии — единственные животные, у которых есть книдоциты, но у многих животных есть нейроны.

Механизм переключения

Исследователи изучили морских анемонов, чтобы понять, как нейрон можно перепрограммировать для создания новой клетки.

"Одна из уникальных особенностей книдоцитов заключается в том, что все они имеют взрывную органеллу (маленький карман внутри клетки), которая содержит гарпун, — сказала Бабонис. — Эти гарпуны состоят из белка, который также встречается только у книдарий, поэтому книдоциты, по-видимому, являются одним из самых ясных примеров того, как происхождение нового гена (который кодирует уникальный белок) может стимулировать эволюцию нового типа клеток".

Используя функциональную геномику у морского анемона Nematostella vectensis, исследователи показали, что книдоциты развиваются, отключая экспрессию нейропептида RFamide в подмножестве развивающихся нейронов и перепрофилируя эти клетки в книдоциты. Более того, они показали, что единственный специфичный для книдарий регуляторный ген отвечает как за отключение нейронной функции этих клеток, так и за включение признаков, специфичных для книдоцитов.

Нейроны и книдоциты схожи по форме; оба являются секреторными клетками, способными выбрасывать что-то из клетки. Нейроны выделяют нейропептиды — белки, которые быстро передают информацию другим клеткам. Книдоциты выделяют отравленные гарпуны.

"Существует единственный ген, который действует как выключатель — когда он включен, вы получаете книдоцит, когда выключен — нейрон, — сказала Бабонис. — Это довольно простая логика для контроля клеточной идентичности".

Это первое исследование, показывающее, что такая логика существует у книдарий, поэтому эта особенность, вероятно, регулировала то, как клетки становились отличными друг от друга у самых ранних многоклеточных животных.

В будущих исследованиях лаборатория Бабонис планирует изучить, насколько широко распространен этот генетический переключатель в создании новых типов клеток у животных. Один из проектов, например, будет исследовать, управляет ли аналогичный механизм происхождением новых клеток, секретирующих скелет, у кораллов.