03.05.2015

Нервный гребень — это отсталые клетки эмбриона

Из эмбрионального зачатка под названием нервный гребень возникает на удивление много типов клеток, необходимых для развития головы позвоночных. При этом сам этот зачаток происходит из слоя клеток, возможности которого намного уже. Американские ученые обнаружили, что секрет широкого репертуара нервного гребня заключается в более позднем выборе специализации его клетками. Они сохраняют свойства ранней стадии эмбрионального развития — бластулы, когда остальные клетки уже давно их утратили.

Если спросить случайного человека, какое главное эволюционное изобретение позвоночных, он, скорее всего, назовет позвоночник. Позвоночник, конечно, очень полезная структура: к нему можно прикреплять мышцы, и при этом он находится внутри тела и не ограничивает животное в росте (в отличие от наружных скелетов — таких, как у ракообразных, к примеру). Тем не менее недавно обнаружилось, что внутренние опорные структуры с примерно такими функциями, как у нашего позвоночника, есть уже у кольчатых червей. Так что называть внутреннюю осевую опорную структуру фирменной инновацией позвоночных не совсем правильно.

На самом деле самое замечательное, что появилось у позвоночных, — это их голова. Во-первых, в ней есть зубастая пасть, которая позволяет кусаться, а не просто печально фильтровать какую-нибудь мутную воду, надеясь, что в ней окажется нечто съедобное. Во-вторых, в голове позвоночного есть крупный мозг, который позволяет животному перехитрить своих жертв или, наоборот, хищников, которые охотятся на него самого. Большой мозг дает возможность помнить много полезной информации и — в перспективе — даже переделывать окружающий мир под себя. В комплекте с крупным головным мозгом позвоночных идет прочный череп, необходимый для его защиты. Интересно, что значительная часть довольно разнообразных элементов, необходимых для сборки головы позвоночного (хрящи и кости черепа, мозговые оболочки, дентин) образуется из единственного эмбрионального зачатка — нервного гребня.

Этот нервный гребень давно раздражает ученых, потому что до сих пор он плохо вписывался в наши представления об эмбриональном развитии животных. Одно из главных достижений биологии — это обнаружение общих зачатков, которые возникают в ходе развития большинства многоклеточных животных. Эти зачатки представляют собой три слоя клеток, на которые в какой-то момент делится почти любой зародыш. Каждый из слоев (зародышевых листков) дает начало определенной группе тканей и органов, важных для всех животных. Из внутреннего слоя — энтодермы — образуется пищеварительная система. Внешний — эктодерма — дает начало всем покровам тела животного. Из среднего зародышевого листка — мезодермы — образуется то, что может быть полезным между покровами и внутренностями, — кости, мышцы и хрящи (любопытно, что мезодерма есть не у всех животных: например, ее нет у губок). С тех пор как образуются эти три листка, клетки, их составляющие, теряют часть потенциальных возможностей. Действительно, у оплодотворенной яйцеклетки есть возможность дать начало всем клеткам организма — хоть мышечным, хоть клеткам печени, хоть зрительному эпителию сетчатки. Но чем дальше развивается зародыш, тем точнее определена судьба каждой составляющей его части.

Эту стройную картину нарушает нервный гребень, который происходит из эктодермы — то есть листка, клетки которого занимаются созданием покровов (рис. 1). Как уже упоминалось, возможности нервного гребня очень широки: он может давать начало и хрящам, и костям, и нервным клеткам, и глии (вспомогательным клеткам нервной системы), и пигментным клеткам, и клеткам жировой ткани, и клеткам желез. Репертуар нервного гребня явно шире, чем у эктодермы, из которой он возникает (особенно смущает способность нервного гребня образовывать хрящи и кости — явно мезодермальные структуры). Получалось, что клетки, которые пошли по одному пути специализации, как бы откатывались назад, чтобы снова стать менее специализированными, а потом вообще получить совершенно другую функцию.

Чтобы понять чувства биологов, можете представить, что ваш приятель, который всегда был программистом, внезапно решает переквалифицироваться в повара. Конечно, это нарушает вашу картину мира. Но смена пути развития клетки в организме пугает даже больше. Хотя у каждой клетки нашего тела есть полный набор генов, который теоретически позволяет ей приобрести любую другую возможную специализацию, было бы крайне неприятно, если бы клетки зрительного эпителия однажды решили попробовать себя в роли мышц. Поэтому мы считаем, что откатывание клеток назад, в сторону меньшей специализированности, запрещено (потому что потом из этого состояния они могли бы превратиться в нечто неуместное в этой части организма).

Об этом говорит и метафора известного английского биолога Конрада Уоддингтона, который сравнивал развитие организма со спуском мраморного шарика с горы (рис. 2). Путь шарика определяется рельефом (его называют эпигенетическим ландшафтом Уоддингтона), и на развилках шарик может катиться в разные стороны, спустившись в итоге к определенной точке у подножия горы. Клетку, обретающую специализацию, можно сравнить с таким шариком: она теряет плюрипотентность, как шарик теряет высоту, и в конце концов получает определенную функцию (скатывается в определенную точку под горой). При этом мы совершенно не ожидаем, что шарик в какой-то момент покатится вверх или что клетка в какой-то момент станет менее специализированной, чем была раньше.

Так что же нам делать с нервным гребнем, который имеет очень широкие возможности, но образуется из клеток, которые должны заниматься только образованием покровов? На ландшафте Уоддингтона такая ситуация соответствует перемещению шарика вверх по склону, что ученым не симпатично. К счастью, биологам из Северо-Западного университета в Эванстоне недавно удалось с этим разобраться. Они обнаружили, что факторы, которые поддерживают широкие возможности клеток нервного гребня (плюрипотентность), — те же, что вырабатываются в клетках на более ранней стадии развития зародыша, когда он еще представляет собой однослойный пузырь из клеток (бластулу). Если искусственно поддерживать экспрессию таких факторов (Pax7 и Snail1) в других клетках зародыша, их возможности тоже останутся широкими, то есть с помощью специальных факторов можно будет вызвать у них появление признаков разных зародышевых листков.

Ученые предположили, что клетки нервного гребня на самом деле не проходят через эктодермальную стадию, а просто сохраняют свои широкие возможности со стадии бластулы даже тогда, когда все другие клетки уже определились, частью каких зародышевых листков они станут. Действительно, когда ученые культивировали в лаборатории клетки нервного гребня, оказалось возможным запустить их не только по мезодермальному пути развития (на котором можно получить кости и хрящи), но, что неожиданно, даже по энтодермальному пути. Насколько нам сейчас известно, в природе с клетками нервного гребня такого не происходит. Однако способность клеток нервного гребня развиваться по пути всех трех зародышевых листков подтверждает, что эта структура просто сохраняет свойства клеток более ранней стадии — бластулы, а не каким-то странным образом приобретает возможности мезодермы в дополнение к эктодермальным.

Получается, что развитие нервного гребня можно рассматривать, как пример неотении — сохранения «детских» черт на эмбриональном уровне. Действительно, нервный гребень определяется с выбором жизненного пути позже других клеток — можно сказать, отстает от них в развитии. Зато благодаря этому ему удается практически самостоятельно развить такую сложную структуру, как череп позвоночных, и дать возможность создать их замечательную голову.

Благодаря результатам статьи отпадает необходимость выделять нервный гребень в отдельный зародышевый листок, как это иногда делали раньше. Оказалось, что эти клетки не обладают уникальными возможностями изменять свою судьбу, а просто позже определяются, какой из путей выберут. Важно, что они способны пойти не только по эктодермальному или мезодермальному пути, как раньше считалось, но и по энтодермальному, хотя в природе, по-видимому, это не требуется.

Еще важно, что Конрад Уоддингтон может покоиться в мире: неприятное исключение из движения живых существ по его ландшафтам оказалось мнимым.

Подготовлено по материалам: Elsy Buitrago-Delgado, Kara Nordin, Anjali Rao, Lauren Geary, and Carole LaBonne. Shared regulatory programs suggest retention of blastula-stage potential in neural crest cells // Science. Published online 30 April 2015.

Юлия Кондратенко

Источники:

1. elementy.ru