04.01.2016

Судя по поведению, трихоплакс не так прост, как думали раньше

Американские ученые при помощи конфокального микроскопа с флуоресцентной оптикой проследили за тем, как трихоплакс — самое примитивное из всех многоклеточных животных — переваривает водоросли. Выяснилось, что при контакте с водорослями липофильные клетки, выделяющие пищеварительные ферменты, ведут себя удивительно разумно: срабатывают только клетки, находящиеся рядом со скоплениями пищи. После лизиса клеток добычи участки тела трихоплакса над переваренной пищей совершают активные «взбалтывающие» движения. Для организма без синапсов, каким является трихоплакс, это неожиданно сложное поведение — ведь для него, скорее всего, нужна координация работы клеток. Авторы предполагают, что работой липофильных клеток управляют чувствительные нейросекреторные клетки, обнаруженные ими в брюшном эпителии трихоплакса.

Трихоплакс — представитель типа пластинчатые, или плакозои (Placozoa). Это одно из наиболее просто устроенных многоклеточных животных. Его тело — пластиночка диаметром около миллиметра, внешне похожая на гигантскую амебу. У него нет переднего и заднего конца, правой и левой стороны. Нет также мышц и нервов, рта и кишечника. По этим признакам из всех непаразитических животных близки к нему только губки.

Примитивен трихоплакс или вторично упрощен? Кто его ближайшие родственники — губки или кто-то еще? Может ли его строение и развитие что-то рассказать нам о происхождении и первых этапах эволюции животных? Эти и другие проблемы подогревают интерес ученых к этому с практической точки зрения бесполезному существу. Интерес к трихоплаксу возрос после того, как был отсеквенирован его геном. Большинство ученых, конечно, бросились сравнивать гены трихоплакса и других организмов; их больше интересовала эволюция генов, а не эволюция или физиология самого трихоплакса. Но кое-какое внимание выпало и на его долю. Расскажем немного об успехах в изучении трихоплакса в XXI веке.

Вот раньше мы говорили «плакозои» — подразумевали трихоплакса (точнее, Trichoplax adhaerens, описанного в XIX веке), говорили «трихоплакс» — подразумевали всех плакозоев. Оказалось, что трихоплакс — не единственный «в своем классе» (точнее, типе). Судя по генетическим данным, этот тип включает множество видов, и некоторые из них отличаются настолько же сильно, как разные семейства губок или книдарий в пределах одного отряда. Найдены и заметные морфологические различия (в основном выявленные с помощью электронного микроскопа на ультраструктурном уровне) между разными генетическими линиями.

Кроме того, оказалось, что пластинчатые очень широко распространены в Мировом океане. Трихоплаксы найдены между 48° с. ш. и 35° ю. ш. у берегов всех континентов. Хотя они живут, видимо, только на мелководье, но зато в удивительно широком диапазоне условий — при температуре от 10 до 32°C и солености от 20 до 50 промилле — и в весьма разнообразных сообществах (в мангровых зарослях, на коралловых рифах, на каменистых пляжах и т. п.). Эти данные тоже говорят о возможности большого видового разнообразия плакозоев.

Авторы недавнего обзора о разнообразии плакозоев справедливо замечают, что, даже если трихоплакс размножается в природе половым путем (а есть генетические свидетельства, подтверждающие это), будет очень сложно проверить, скрещиваются ли в природе разные линии и как именно выглядят и чувствуют себя их гибриды (см. M. Eitel et al., 2013. Global Diversity of the Placozoa). Но это касается и многих других групп организмов. Ясно, что необходимость описания новых видов пластинчатых назрела. Правда, не ясно, кто и когда этим займется. Однако уже сейчас нужно учитывать возможные межвидовые различия при изучении физиологии, генетики и особенно экологических предпочтений трихоплаксов.

Трихоплакс может размножаться половым путем. Одна из главных загадок, которая волнует эволюционных биологов, — как именно это происходит? Что вылупляется из яиц трихоплакса? Это по-прежнему неизвестно. Зато известно, что переход к половому размножению в культуре может вызвать увеличение плотности популяции, недостаток пищи и повышение температуры до 23°C или более (см. M. Eitel et al., 2013. New insights into placozoan sexual reproduction and development). При более низкой температуре ни одна линия трихоплаксов не давала яиц. При более высокой часть особей образует яйцеклетки — как правило, только одну. Самка как бы сворачивается вокруг развивающегося крупного (до 120 мкм в диаметре) яйца. В растущее яйцо запихивают свои отростки волокнистые клетки, и вместе с этими отростками яйцо поглощает симбиотических бактерий (зачем они нужны трихоплаксу, неизвестно). Затем, вероятно, происходит оплодотворение. Вероятно — потому что сперматозоиды трихоплакса до сих пор толком не описаны. Известно только, что у него экспрессируются гены, отвечающие у других животных за разные стадии сперматогенеза. Расшифровка генома облегчила обнаружение этих и других генов пластинчатых.

После оплодотворения яйцо дробится (дробление полное и равномерное). Дробление достигает стадии 64–128 клеток, и до этой стадии зародыш остается шарообразным скоплением одинаковых клеток — морулой. Потом самки выбрасывают эмбрионы и гибнут. И эмбрионы тоже гибнут. Что им не нравится в лаборатории — неизвестно. Тут еще непочатый край работы — найти и как следует описать сперматозоиды, пронаблюдать оплодотворение. А главное — заставить эмбрионы развиться во взрослых животных.

Трихоплакс хорошо регенерирует, причем не только из фрагментов тела, но и из взвеси отдельных клеток. При этом фрагменты, вырезанные из середины тела, не регенерируют. В 2004 году было показано, что по краю тела, вдоль границы между спинным и брюшным эпителием, располагаются мелкие клетки (см. W. Jakob et al., 2004. The Trox-2 Hox/ParaHox gene of Trichoplax (Placozoa) marks an epithelial boundary). В них экспрессируется ген Trox-2 — единственный обнаруженный у трихоплакса ген из группы Hox/ParaHox генов. У других животных гены этой группы регулируют развитие продольной оси тела. Экспрессию Trox-2 удалось подавить (двумя разными способами — с помощью РНК-интерференции и с помощью антисмысловых олигонуклеотидов). Оказалось, что подавление экспрессии Trox-2 останавливает рост и регенерацию. Возможно, мелкие клетки краевой зоны — это стволовые клетки. Но их не только не удалось выделить и культивировать — их даже не удалось обнаружить в более поздних морфологических работах. Еще одна загадка...

В связи с данными о регенерации высказывалась идея о том, что у трихоплакса все-таки есть симметрия — радиальная, хотя и несовершенная. Края его тела можно считать аналогичными, например, краям зонтика медуз. Может быть, трихоплакс — прямой потомок радиально-симметричных и тоже, возможно, бескишечных вендобионтов?

Не так уж хорошо изучено и строение трихоплакса. Например, в некоторых работах его внутренняя ткань (паренхима) описывается как синцитий, где лишь в некоторых местах между отростками волокнистых клеток есть какие-то странные электронно-плотные «вставки». По данным других работ, волокнистые клетки синцития не образуют. Что это — артефакт, ошибка в каких-то работах? А может быть, разные физиологические состояния этой ткани? Не очень понятно также, что умеют делать волокнистые клетки. По данным некоторых работ, они сократимы. Но их отростки, хотя и контактируют между собой и с обоими эпителиями, не связаны специализированными межклеточными контактами; непонятно, как они могут отвечать за изменения формы тела. Может быть, они проводят электрические сигналы? Такая гипотеза высказывается на основании сходства «вставок» с аналогичными структурами электропроводящего синцития стеклянных губок. Во всем этом еще предстоит разобраться.

Не так давно группа ученых переисследовала клеточный состав тела трихоплакса (см. C. Smith et al., 2014. Novel Cell Types, Neurosecretory Cells and Body Plan of the Early-Diverging Metazoan, Trichoplax adhaerens), и выяснились новые важные детали (рис. 1). Были обнаружены новые «клетки с кристаллами» (правда, слегка напоминающие ранние описания спермиев трихоплакса, так называемых S-клеток). Эти немногочисленные округлые клетки сидят у краев тела под дорзальным эпителием. Чашевидное ядро смещено вбок, а в центре клетки лежит крупный кристалл ромбоидной формы, к которому примыкают с двух сторон две митохондрии (см. рис. 1). И конечно же функции этих клеток тоже неизвестны! Авторы предполагают, что это могут быть фоторецепторы или статоцисты. Известно, что у трихоплакса есть опсины (зрительные пигменты) и, видимо, есть фототаксис — так что должны быть и светочувствительные клетки.

В вентральном эпителии удалось детальнее описать три типа клеток (описанных ранее, но не столь подробно). Крупные «липофильные» клетки, лишенные жгутиков, глубоко вдаются во внутреннюю полость. Они содержат большие гранулы. Одна, самая большая, расположена «на выходе» из клетки; ее содержимое с пищеварительными ферментами, как оказалось, выделяется при питании.

Среди жгутиковых клеток одни не содержат гранул — они обеспечивают движение. Другие, с мелкими гранулами, расположены в основном по периферии тела (но часть их рассеяна по всей брюшной поверхности). Авторы предположили, что это — чувствительные нейросекреторные клетки. В них экспрессируются некоторые характерные для нервных клеток белки — синтаксин 1/2, синаптобревин, SNAP-25. Все они нужны для быстрого экзоцитоза. В краевых железистых клетках присутствует FMRF-амид — нейропептид, широко распространенный в животном царстве.

Теперь перейдем к новости. Коллектив из Национального института неврологических расстройств и инсульта (NINDS), относящегося к Национальным институтам здравоохранения США (NIH, Бетесда, Мэриленд) с тем же первым автором, Carolyn Smith, что и в статье, где описаны нейросекреторные клетки, решил заново изучить пищевое поведение трихоплакса. Обычный способ питания трихоплакса — внеорганизменное переваривание водорослей. Этот способ питания был, казалось бы, достаточно хорошо изучен, как и многие другие детали поведения трихоплакса (см., например, Л. Н. Серавин, А. В. Гудков, 2005. Trichoplax adhaerens (тип Placozoa) — одно из самых примитивных многоклеточных животных). Трихоплакс наползает на водорослевую или цианобактериальную пленку. Затем прекращается биение ресничек брюшной стороны, животное останавливается и перестает менять форму тела. Потом он выделяет под брюхо пищеварительные ферменты, и пища растворяется и всасывается. Всё это было известно.

А новые данные удалось получить благодаря использованию конфокального микроскопа с флуоресцентной оптикой. Это позволило следить за перевариванием водорослей (при лизисе их клеток флуоресцирующие пигменты выходили наружу). Гранулы липофильных клеток метили липофильными красными красителями, что позволило следить за их секрецией (рис. 2). Для киносъемки процесса пищеварения применяли еще более навороченные методы — высокоскоростную микроскопию в двух флуоресцентных каналах при помощи конфокального микроскопа с вращающимся диском (последовательная съемка двух каналов, 61 мс/кадр) и конфокальную микроскопию с резонансным сканером.

Выяснилось, что при контакте с водорослями липофильные клетки выбрасывают только содержимое крупной гранулы. Примерно в течение секунды после этого клетки водорослей лизируются. Всё это не удивительно. Но удивительно другое — как «разумно» ведут себя липофильные клетки!

Если водорослей мало — «разряжаются» лишь немногие клетки. Если пищи больше, то и больше клеток выделяют гранулы. А самое удивительное — секретируют ферменты только те клетки, что находятся в пределах 10–20 мкм от скоплений пищи (см. видео). При этом сначала несколько клеток, ближайших к пище, прицельно выбрасывают свое содержимое. Примерно через 1–1,5 секунды происходит «ковровая бомбардировка» — их примеру следует большее число клеток на более обширном «пятне», накрывающем пищу.

После лизиса пищи трихоплакс выгибается, так что под брюхом у него образуются полости; клетки краевой зоны остаются неподвижными, а клетки центральной части тела (и брюшного эпителия, и волокнистые) приходят в движение, описывая эллиптические траектории и смещаясь примерно на 200 мкм; это поведение авторы назвали «взбалтыванием». Возможно, оно способствует более быстрому всасыванию пищи. Когда почти вся пища всосалась, возобновляется биение ресничек, и трихоплакс начинает движение.

Ясно, что для таких форм поведения нужна сложная координация работы клеток. Как же она осуществляется у животного, лишенного нервной системы с синапсами? Авторы предполагают, что железистые нейроэндокринные клетки брюшного эпителия — вкусовые рецепторы. Чувствуя вкус пищи, они могут выделять какие-то сигнальные вещества, действующие на соседние липофильные клетки. Если это так — становится понятнее, зачем в геноме трихоплакса закодированы SNARE, комплексин, синаптотагмин и другие белки, связанные с регулируемой секрецией сигнальных веществ.

Но что это за вещества? Через какие рецепторы они действуют? Кто и как координирует «взбалтывание»? Новые открытия — новые вопросы...

Источник: Carolyn L. Smith, Natalia Pivovarova, Thomas S. Reese. Coordinated Feeding Behavior in Trichoplax, an Animal without Synapses // PLoS ONE. 2015. V. 10(9). P. e0136098. Doi:10.1371/journal.pone.0136098.

Сергей Глаголев

Источники:

1. elementy.ru