04.03.2015

У ланцетника тоже есть хрящ

Ученые, получившие возможность пронаблюдать развитие ланцетника от личиночной стадии до взрослого животного, зарегистрировали у личинок формирование хрящевых клеток. Эти клетки составляют основу скелета ротовых щупалец. Прежде считалось, что в типе хордовых клеточный хрящ появился только у предков позвоночных и является их отличительным признаком. Теперь же стало ясно, что хрящевой скелет не появился из ниоткуда на пустом месте, для его образования были задействованы уже имевшиеся клеточные и генетические блоки.

Сейчас мы уже далеко ушли от той стартовой точки, с которой в XX веке сравнительная анатомия и эмбриология начали реконструировать становление костного скелета позвоночных. Тогда он считался производным хорды бесчерепных, представленных в современном мире ланцетником; промежуточной стадией между костным скелетом и хордой предполагался хрящевой скелет. Весь скелет, включая и хорду, и хрящи, и костный череп, у хордовых слагался, как предполагали, из клеток мезодермы — среднего зародышевого листка.

Теперь эта очень приблизительная схема дополнилась, уточнилась и даже в ключевых местах изменилась. Хорда вряд ли возникла на пустом месте, «из ничего». Ее прообразом мог быть аксохорд — мезодермальный осевой клеточный тяж, — обнаруженный недавно у кольчатых червей. Эта протохорда (аксохорд) находится как раз между брюшной нервной цепочкой и кишкой, как и полагается гипотетическому перевернутому позвоночному. Скелет позвоночных складывается из клеток мезодермы, но не весь. Выяснилось, что хрящи и кости скелета глотки, челюстей и черепной коробки берут начало от клеток особого зародышевого листка — так называемого нервного гребня.

У ланцетников (бесчерепных) нервного гребня нет, он появляется у миног и миксин (бесчелюстных). Их скелет сложен из хряща. Известен также набор генов, которые работают по ходу формирования скелетных элементов у эмбрионов позвоночных, миног и ланцетника: у них много общего в этом смысле. Но всё же многие регуляторные участки и гены у позвоночных специфичны: как выясняется, их появление, скорее всего, связано с полногеномной дупликацией у предков позвоночных. Все эти уточнения касаются формирования плана строения хордовых: эктодерма, под ней — нервная трубка, под ней — кишка, а между нервной трубкой и эктодермой у позвоночных появляется нервный гребень.

Серьезной брешью остается вопрос: откуда же взялись клетки собственно костей и хрящей, которые, очевидно, являются отличительной чертой всех позвоночных? Пусть не костные клетки, а хрящевые — ведь у примитивных позвоночных, у целого класса рыб и у всех эмбрионов позвоночных скелет строится из хряща. Можно ли найти хрящевые клетки или их аналоги у ланцетников? Чтобы ответить на этот вопрос, требуются тонкие гистологические исследования эмбрионов ланцетников, сравнение факторов образования хрящевой ткани у позвоночных и ланцетников. Эту работу проделали специалисты из Колорадского университета в Боулдере (США) и Института биологии клеток и организмов (Institute of cellular and organismic biology) в Тайбэе (Тайвань).

Ученым повезло: у них появилась возможность поработать с личинками ланцетника, у которых как раз и формируется скелет глотки и рта (рис. 1). Ланцетников Branchiostoma floridae лишь совсем недавно научились выращивать в лаборатории от личиночной планктонной стадии до взрослого животного. Именно поэтому зоологи впервые наблюдали весь ход становления морфологических признаков. Они показали, как во время развития формируются щупальца вокруг рта, которые, как это ни удивительно, состоят их клеток, напоминающих по некоторым признакам хондроциты — хрящевые клетки (рис. 2).

Эти клетки окрашиваются специфическим для хряща красителем; они делятся в том же направлении и содержат те же крупные вакуоли, что и хрящ эмбрионов позвоночных; оболочки клеточного тяжа сходны по химическому составу с хрящевыми тяжами позвоночных, потому и окрашиваются они одинаково. Остается предположить, что щупальца ланцетников слагаются из хрящевых клеток, как и скелет всех эмбрионов позвоночных (мы же помним, что если животное выглядит как собака, лает как собака, кусается как собака, то это собака). Значит, в каком-то виде клеточный хрящ у эмбрионов ланцетника всё же имеется, и как раз там, где у других позвоночных объявляются клетки загадочного нервного гребня — в оформлении рта.

Хондроциты в щупальцах, как выяснилось, делятся под контролем тех же факторов роста фибробластов, что и у позвоночных. Если во время метаморфоза блокировать их работу химическими ингибиторами, то вырастет нормальное животное, но без щупалец. Также в щупальцах во время метаморфоза экспрессируются гены фибриллярного коллагена (ColA ) — важного слагаемого хрящевой ткани. У позвоночных при образовании коллагена и дифференциации хондроцитов из клеток нервного гребня работает специфический сигнальный каскад, в котором факторы роста связаны с транскрипционными факторами семейства SOXE (SOX9, SOXD). Эти транскрипционные факторы тоже удалось выявить в растущих щупальцах ланцетника во время метаморфоза. Также нашлись и другие гены этого каскада, известные по исследованиям рыбки данио рерио. Всё это вместе показывает, что у ланцетника уже имелись базовые компоненты — клеточные, молекулярные, регуляторные — для образования клеточной хрящевой ткани.

Но важно подчеркнуть, что клеточный хрящ в щупальцах ланцетника, несмотря на всю схожесть с хрящом позвоночных, всё же является производным мезодермы, а не нервного гребня. Должна была быть какая-то последовательность событий, которая привела к тому, что клетки нервного гребня переняли свойства (генетические и биохимические) мезодермальных хрящевых клеток щупалец. Тут можно только фантазировать, правда с опорой на факты. А факты свидетельствуют о том, что клетки нервного гребня, чтобы стать хондроцитами, включили особые регуляторные последовательности, в частности TFAP2A и tfap2c, которые отсутствуют у ланцетников. Эти транскрипционные факторы заставили генетическую программу формирования хряща сработать в клетках нервного гребня.

Поэтому предкам позвоночных не было нужды «изобретать» новую ткань для своего скелета. Вместо этого в клетках элементов головного скелета, берущих начало из нервного гребня, включилась с помощью новых регуляторных элементов уже проверенная программа дифференциации хондроцитов.

Подготовлено по материалам: David Jandzik, Aaron T. Garnett, Tyler A. Square, Maria V. Cattell, Jr-Kai Yu & Daniel M. Medeiros. Evolution of the new vertebrate head by co-option of an ancient chordate skeletal tissue // Nature. 2015. V. 518. P. 534–537.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru