30.11.2015

Нервная жизнь гидры

Исследователи из Швейцарии сообщили, что им удалось выяснить, каким образом пресноводная гидра заставляет свои клетки "кожи" работать вместо нервных клеток. Результаты этого исследования проливают свет на то, как в ходе эволюции возникали нейроны у ранних многоклеточных животных.

Как многие помнят из школьных уроков биологии, гидра – небольшой пресноводный полип, относящийся к кишечнополостным животным. Тело гидры можно сравнить с мешочком с полостью внутри. В мешочек ведет отверстие, которое окружено несколькими щупальцами. В щупальцах содержатся стрекательные клетки, которые позволяют гидре парализовать своих жертв – мелких пресноводных рачков, затем добыча отправляется в ротовое отверстие. Стенка тела гидры состоит из двух слоев клеток. Клетки наружного слоя (эктодермы) выполняют покровную функцию, это «кожа» гидры, во внутреннем слое (эндодерме) находятся пищеварительные клетки: они выделяют во внутреннюю полость пищеварительные ферменты. И в эктодерме, и в эндодерме присутствуют мускульные клетки, которые, сокращаясь, дают возможность гидре двигаться. Мускульные клетки эндодермы снабжены жгутиками, которые обеспечивают движение воды во внутренней полости, а также ложноножками, захватывающими кусочки пищи. В эктодерме гидры находится также сеть из нервных клеток.

Первым заметил пресноводных гидр знаменитый голландский натуралист Антони Ван Левенгук, который в 1702 году писал Лондонскому королевскому обществу о выловленных им в одном из каналов города Дельфт «анималикул», которые были способны растягиваться и сокращаться, а также шевелить «рогами». Сообщение Левенгука было опубликовано в «Трудах Лондонского королевского общества», но, видимо, его заслонили известия о других его замечательных открытиях, и на «анималикул с рогами» никто особого внимания не обратил.

Слава к гидрам пришла немного позднее, когда их исследованиями стал заниматься Авраам Трамбле. Он родился в Швейцарии, а жил в Нидерландах, где работал учителем в семье графа Бентинка. В прудах графского имения Зоргфлит, недалеко от Гааги, Трамбле и выловил своих гидр. Он описал строение, питание, размножение и способы передвижения этих животных, проведя немало остроумных опытов. В частности, Трамбле разрезал гидру поперек, так что в верхней части оставались ротовое отверстие с щупальцами, а в нижней – подошва, которой гидра прикрепляется ко дну или к водным растениям. Ученые обнаружил, что вскоре из двух разрезанных частей появилось две гидры: «голова» отрастила себе новую подошву, а нижняя часть – «новую голову». В дальнейшем обнаружилось, что полип способен восстановиться, даже если его разрезать на 200 отдельных частей – из каждого кусочка вырастет новая гидра.

Исследование Трамбле под названием «Мемуары к истории одного рода пресноводных полипов с руками в форме рогов» было опубликовано в 1744 году. Описанные им существа стали очень популярными, и множество натуралистов, повторяя опыты Трамбле, убедилось в их удивительных свойствах. Трамбле впервые использовал для обозначения пресноводных полипов название «гидра», так как их способность к восстановлению утраченных частей тела напомнила ему миф о Лернейской гидре, у которой на месте отрубленных голов вырастали новые. В 1746 году слово Hydra было официально закреплено Линнеем в качестве родового названия.

Швейцарские ученые заинтересовались механизмом, который позволяет гидре при восстановлении из небольшого фрагмента получать клетки всех необходимых типов, в частности, нервные клетки. Обычно, в организме гидры новые нервные клетки возникают благодаря особым клеткам, содержащимся между мускульными клетками. Их называют промежуточными, или интерстициальными клетками (i-клетки). Из i-клеток при делении возникают нервные, чувствительные, половые и стрекательные клетки гидры.

Если все i-клетки в организме удалить (этого экспериментаторы добиваются при помощи алкалоида колхицина или ионизирующего излучения), можно получить гидру без нервной системы. Она сохраняет способность к росту, регенерации и почкованию, но не может самостоятельно питаться. Так как без нервных клеток животное не реагирует на прикосновения, оно не в состоянии поймать добычу щупальцами. Гидр без нервных клеток в лаборатории ученые кормят искусственно.

Ученые из Женевского университета под руководством Бриджит Галио (Bridgitte Galliot) использовали современные методы секвенирования РНК у лишенных i-клеток и нейронов гидр, чтобы определить, как происходит у них экспрессия генов, участвующих в образовании нейронов и функционировании нервной системы.

Обычно, в организме гидры экспрессия генов, задействованных в нейрогенезе, зависит от пространственного положения клетки. В центральной части тела работа таких генов ограничена, а в районе щупалец и подошвы, где сеть нейронов наиболее густая, эти гены работают с максимальной загрузкой. При отсутствии i-клеток и нервной системы экспрессия генов, ответственных за нейрогенез, в центральной части тела прекращается вовсе, зато, эти гены начинают работать в некоторых клетках эпителия, покрывающего поверхность тела гидры.

Всего ученые определили 34 гена, чья экспрессия выросла по меньшей мере вдвое, после потери гидрой нервной системы. Активность этих генов неуклонно росла в течение 11 суток после устранения i-клеток и оставалась на высоком уровне более трех недель. Исследователи пришли к выводу, что гидра приспосабливается к жизни без нервной системы путем активации генетической программы нейронов в клетках эпителия. Вероятно, это придает клеток поверхности тела хотя бы некоторую чувствительность и способность реагировать на внешние раздражители. Хотя пока еще точно не определено, как экспрессия того или иного гена влияет на функции клеток.

Бриджит Галио и ее коллеги полагают, что их исследование позволит выяснить истоки эволюции нейронов. Считается, что первые нервные клетки возникли из «протонейронов», имевшихся у общего предка всех многоклеточных животных. Возможно, что эти «протонейроны» были сходны с i-клетками гидры, светочувствительными клетками личинок губок или нейронами, контактирующими со спинномозговой жидкостью (CSF-contacting neurons). Затем эти протонейроны эволюционировали, со временем став приспособленными для выполнения специфических функций нервных клеток. Эксперимент швейцарских исследователей показывает, что есть вероятность и другого пути появления нейронов: из эпителиальных клеток, получивших новые функции.

О результатах исследования рассказывает статья в Philosophical Transactions of the Royal Society B.

Источники:

1. polit.ru