Миксины и истоки развития мозга

Миксины — скользкие, похожие на угрей паразитические рыбы с безчелюстными, усеянными зубами присосками — выглядят довольно отталкивающе. Однако, благодаря своему важному положению на эволюционном древе позвоночных, они могут дать ключевые сведения об эволюционной истории развития нашего собственного мозга, как показывает недавнее исследование.

Работа опубликована в онлайн-выпуске журнала Nature от 14 сентября.

"Миксины — одни из самых примитивных позвоночных, живущих на Земле сегодня. Внимательно изучая их гены и особенности развития, исследователи могут больше узнать об эволюционных истоках современных позвоночных — таких как челюстные рыбы, лягушки и даже люди", — говорит соавтор статьи Марианна Броннер, профессор биологии и директор уникального центра Caltech по изучению рыбки данио, шпорцевой лягушки и миксин, где проводилось исследование.

Этот центр — одно из немногих мест в мире, где миксин можно изучать в неволе. Хотя паразитические миксины являются инвазивным вредителем в Великих озёрах, их сложно изучать в контролируемых условиях: их жизненный цикл занимает до 10 лет, и они нерестятся всего несколько недель летом перед смертью.

Каждое лето Броннер и её коллеги получают партии диких миксин из Мичигана как раз перед пиком сезона размножения. Помещённые в резервуары, где температура воды регулируется для продления сезона размножения с примерно трёх недель до двух месяцев, миксины производят десятки тысяч дополнительных яйцеклеток и сперматозоидов. Благодаря экстракорпоральному оплодотворению это даёт десятки тысяч дополнительных эмбрионов для исследований. В этот период учёные со всего мира приезжают в Caltech для экспериментов с развивающимися эмбрионами миксин.

В данном исследовании Броннер и её коллеги из Института медицинских исследований Стоуэрса (Канзас-Сити, Миссури) изучали происхождение заднего мозга позвоночных.

Задний мозг — часть центральной нервной системы, общая для хордовых (организмов со спинной струной, как наш спинной мозг). В процессе развития позвоночных (подтипа хордовых, имеющих позвоночник) задний мозг разделяется на восемь сегментов, каждый из которых формируется уникально, создавая сети нейронных цепей. Эти сегменты в итоге дают начало таким областям взрослого мозга, как мозжечок (важен для моторного контроля) и продолговатый мозг (необходим для дыхания и других непроизвольных функций).

Однако эта сегментация отсутствует у так называемых "беспозвоночных хордовых" (например, асцидий и ланцетников).

"Интересно, что миксины занимают промежуточное эволюционное положение между беспозвоночными хордовыми и челюстными позвоночными", — говорит Хьюго Паркер, постдок из Института Стоуэрса и первый автор исследования. — "Изучая эмбриологию миксин, мы можем понять, как могли эволюционировать черты позвоночных".

У позвоночных сегментарные гены, называемые Hox-генами, помогают определить план строения тела от головы до хвоста, а также контролируют сегментацию заднего мозга. Хотя у беспозвоночных хордовых тоже есть Hox-гены, у этих животных нет сегментированного заднего мозга. Поскольку миксины находятся между этими двумя типами организмов на эволюционном древе, исследователи хотели выяснить, участвуют ли Hox-гены в формировании заднего мозга миксин.

К своему удивлению, они обнаружили, что задний мозг миксин не только сегментируется в процессе развития, но и этот процесс также вовлекает Hox-гены — точно так же, как у их челюстных родственников-позвоночных.

"Когда мы начинали, мы думали, что ситуация иная, и Hox-гены не так интегрированы в процесс сегментации, как у челюстных позвоночных", — говорит Паркер. — "Но в ходе работы мы обнаружили, что характер экспрессии и регуляции Hox-генов у миксин очень похож на то, что мы видим у челюстных позвоночных". Это означает, что сегментация заднего мозга — и роль Hox-генов в этой сегментации — возникла в эволюции раньше, чем считалось.

Паркер, который приезжает в Caltech для изучения миксин каждое лето с 2008 года, теперь надеется выявить другие аспекты заднего мозга миксин, которые могли сохраниться у современных позвоночных. Эта информация поможет сформировать фундаментальное понимание развития позвоночных. И хотя эти исследования, вероятно, означают ещё несколько лет работы с миксинами в Caltech, Паркер отмечает, что работа в этом центре постоянно даёт уникальный опыт.

"Система работы с миксинами здесь уникальна в мире — и дело не только в резервуарах с водой и методах содержания животных. Речь о небольшом ядре людей с особыми навыками, которые приезжают со всего мира, чтобы работать вместе, делиться протоколами и совместно развивать эту область", — говорит он. — "Это одна из вещей, которая мне нравилась с самого первого моего приезда. Я действительно чувствовал, что являюсь частью чего-то особенного".