Сходства в нервных системах плодовых мух меняют взгляд на метаморфоз

Новое исследование из Медицинского института Говарда Хьюза меняет текущее представление о том, что метаморфоз у плодовых мух, при котором личинки превращаются во взрослых особей, состоит из двух отдельных стадий.

Исследование, которое будет опубликовано в журнале eLife, показывает, что хотя личинки и взрослые особи плодовых мух Drosophila имеют поразительно разные нервные системы для поддержки их различных структур тела и потребностей, эти системы состоят из нейронов со сходной структурой и молекулярными сигнатурами. Это говорит о том, что нервные стволовые клетки Drosophila минимально изменились в ходе эволюции мухи от её предков, которые не проходили метаморфоз.

Нервные системы взрослой мухи и личинки развиваются из одного и того же набора стволовых клеток, известных как нейробласты. Эти нейробласты проходят две отдельные фазы пролиферации, в ходе которых генерируют множество нейронов. Первая фаза происходит в эмбрионе для создания нейронов личиночной нервной системы, а вторая — в личинке для создания нейронов взрослой нервной системы.

Эти фазы разделены коротким периодом, когда пролиферация не происходит. Сходство между взрослыми и личиночными нейронами обусловлено тем, что внутреннее состояние нейробластов остаётся схожим до и после периода бездействия.

«Двухфазная схема, кажется, меняет представление о метаморфозе как о двух отдельных стадиях», — говорит первый автор Халик Лачин.

«Она эволюционировала из более простой схемы, как у кузнечиков, при которой все нейроны генерировались в течение расширенной эмбриональной фазы».

Команда использовала метод трассировки клеточных линий, чтобы установить связь между нейронами в нервных цепочках взрослой особи и личинки, которые эквивалентны спинному мозгу человека.

Метод включал визуальный скрининг общедоступных баз данных для идентификации более 100 линий белка GAL4, экспрессия которого ограничена одним или несколькими эмбриональными нейробластами. Чтобы выделить, какие клеточные линии нейробластов помечены этими линиями GAL4, они сгенерировали случайные клоны линий для каждой и сравнили их структуру и молекулярную экспрессию с ранее опубликованными эмбриональными нейрональными линиями.

«Наши результаты показали, что нейроны, возникающие из двух различных фаз пролиферации нейробластов, экспрессируют сходные молекулярные маркеры и образуют сходные нервные волокна, хотя они функционируют в двух очень разных нервных системах», — объясняет Лачин.

«Нейробласты у насекомых, не проходящих метаморфоз, размножаются непрерывно. Поэтому мы полагаем, что в ходе эволюции метаморфоза в непрерывную пролиферацию нейробластов у неметаморфирующих насекомых была вставлена пауза, без существенного влияния на генерируемые типы нейронов».

В ходе исследования учёные также обнаружили три нейробласта, которые, по-видимому, уникальны для средних, или грудных, сегментов Drosophila. Присутствие этих нейробластов зависит от генов, контролирующих позиционную информацию в ходе развития плана строения тела животного.

«Два из этих нейробластов генерируют моторные нейроны ног. Поскольку у мух ноги есть только в грудных сегментах, присутствие нейробластов в этих сегментах указывает на координацию нейрогенеза с развитием плана строения тела на уровне стволовых клеток», — говорит соавтор исследования Джеймс Труман.

«Третий нейробласт является новым и, по-видимому, возник недавно в ходе эволюции насекомых. Основываясь на анатомии и молекулярных маркерах, мы предполагаем, что он возник путём дупликации соседней стволовой клетки, что могло обеспечить более тонкий нейронный контроль над поведением, связанным с ногами, таким как ходьба и чистка».

Нервная цепочка Drosophila использовалась в качестве модельной системы более 30 лет для понимания того, как нейробласты генерируют высоко сложную, но организованную ткань. Лачин и Труман считают, что полученные в их исследовании данные теперь позволят исследовать, как молекулярные события, происходящие от эмбриональных до взрослых стадий, контролируют формирование и функцию нервной системы у плодовых мух, с возможной экстраполяцией на человека.