28.11.2017

Актиния нематостелла поставила под сомнение классические представления о гомологии зародышевых листков

Во время эмбрионального развития зародыш принято делить на зародышевые листки. У двуслойных животных их два — эктодерма и энтодерма, у трехслойных есть третий зародышевый листок — мезодерма. Ранее считалось, что эктодерма двуслойных животных соответствует эктодерме трехслойных, а из энтодермы двуслойных эволюционно развились энто- и мезодерма трехслойных. Исследование того, как у актинии нематостеллы развиваются ткани из зародышевых листков, показало, что энтодерма двуслойных действительно родственна мезодерме, однако с энтодермой трехслойных она не имеет почти ничего общего. Функции энтодермы трехслойных животных у двуслойных выполняет небольшой участок эктодермы — «глоточная эктодерма».

Во время развития эмбрионы многоклеточных проходят через несколько консервативных стадий, которые совпадают или почти совпадают у всех животных. Между этими стадиями изменчивость повышена, то есть одинаковые по строению зародыши разных видов часто получаются разными путями (Ю. А. Краус, А. В. Марков, 2016. Гаструляция книдарий: ключ к пониманию филогенеза или хаос вторичных модификаций?).

Рассмотрим «классический» вариант. Сначала яйцо много раз делится, из клеток образуется однослойная сфера с полостью внутри — бластула. Затем с одной из сторон сферы происходит впячивание части поверхности внутрь, образуется двуслойный шарик с новой полостью — гаструла. Именно на этом этапе наблюдается разделение на так называемые зародышевые листки. Внешний слой клеток с этого момента именуется эктодермой, а внутренний — энтодермой. Всех настоящих многоклеточных животных (Eumetazoa) по количеству зародышевых листков подразделяют на двуслойных (кораллы с медузами и гребневики) и трехслойных (все остальные животные, включая нас с вами). У последних во время гаструляции часть клеток выселяется в пространство между экто- и энтодермой и формирует третий, промежуточный слой — мезодерму (рис. 2).

Каждый из этих слоев играет свою особенную роль в развитии зародыша. Из эктодермы формируются покровы, нервная система и органы чувств, из энтодермы — легкие, кишечник, пищеварительные железы и др., из мезодермы — скелет, мышцы, кровеносные сосуды и др. Хотя у разных животных одни и те же структуры имеют тенденцию формироваться из одних и тех же зародышевых листков, далеко не всё так просто. Относительно недавно появилось предложение выделить еще один, четвертый зародышевый листок. Он есть только у хордовых, формируется во время нейруляции и «перетягивает» на себя ряд функций других зародышевых листков. Кроме того, граница между зародышевыми листками не всегда проходит так четко, как в рассмотренном «классическом» варианте. А главное, не для всех животных непосредственно прослежена судьба каждого из слоев.

Уже давно идут споры о том, являются ли в действительности двуслойные животные двуслойными: то тут, то там исследователи находят у них признаки наличия третьего слоя (см., например: K. Seipel, V. Schmid, 2006. Mesodermal anatomies in cnidarian polyps and medusae). Речь всякий раз идет о мезодерме, наличие же внешнего и внутреннего зародышевых листков у этих животных сомнению не подлежит. До сих пор не вызывало серьезных сомнений и соответствие этих двух листков экто- и энтодерме трехслойных животных. Авторы работы, опубликованной недавно в журнале Nature Ecology & Evolution, решили пересмотреть устоявшиеся представления.

Объектом своего исследования они выбрали двуслойный коралловый полип — актинию нематостеллу (Nematostella vectensis), уже ставшую любимицей ученых, занимающихся эволюционной биологией развития. Тело взрослой актинии состоит из двух слоев, формирующих как бы мешок с единственным отверстием — ртом (рис. 3). Внутри этого мешка находится простая гастральная полость, где удерживается еда во время пищеварения. Вдоль тела проходят восемь так называемых септ (выростов стенки тела), вдающихся в гастральную полость и частично подразделяющих ее на зоны. Выделяют также небольшую глотку — зону, где все септы соединены краями друг с другом и со ртом.

Считается, что из эктодермы формируется внешний слой актинии — эпидермис, а из энтодермы — внутренний, гастродермис. Авторы обсуждаемой работы решили проследить, какие структуры формируются из какого зародышевого слоя. На стадии бластулы судьба отдельных клеток еще не определена, и можно без последствий переставлять их местами, даже менять родные клетки на клетки другого эмбриона того же вида. Этим ученые и воспользовались. Они подсаживали в разные участки развивающихся бластул флуоресцирующие клетки других зародышей. Затем, на более поздних стадиях, смотрели, где оказывались флуоресцентные метки. Развитие шло нормальным путем, а метки сохранялись только в клетках-потомках подсаженных тканей (рис. 4). По положению этой метки в гаструле и потом во взрослом организме можно было говорить о том, какие структуры развились из каких участков зародыша.

Оказалось, что глотка и краевые участки септ нематостеллы имеют эктодермальное, а не энтодермальное, как считалось ранее, происхождение. Эти структуры являются частью гастродермиса, богатого железистыми клетками, в том числе и железами, выделяющими секрет в гастральную полость для пищеварения. У трехслойных животных такие железы имеют всегда энтодермальное происхождение. Поэтому исследователи задались вопросом: каково происхождение этих железистых клеток у актинии? Не развиваются ли некоторые из них вместе с глоткой и краями септ из эктодермы?

Ученые посмотрели, где идет экспрессия генов пищеварительных ферментов. Выяснилось, что все исследованные гены работают исключительно в железах эктодермального происхождения — только гены муцинов, основного компонента секрета любых желез, работают в производных как эктодермы, так и энтодермы. Синтез инсулиноподобных белков тоже оказался приурочен к эктодерме.

Все эти железы, глотка и краевые участки септ, развились из единого участка эктодермы, который ученые назвали «глоточная эктодерма». Этот участок эктодермы может быть выделен и по наличию транскрипционного фактора foxA (см. FOX proteins), характерного для энтодермы трехслойных. 13 из 15 ортологов генов поджелудочной железы экспрессируются исключительно в этом участке и его производных. Из двух оставшихся ортологов один экспрессируется как в «глоточной эктодерме», так и в одной клетке неглоточной эктодермы, а другой ген — только в энтодерме.

Таким образом, у двуслойного организма был найден участок эктодермы, производные которого по набору типов клеток и транскрипционным факторам очень схожи с производными энтодермы трехслойных организмов. Ранее полагалось, что энтодерма (мезэнтодерма) полипов функционально заменяет энтодерму и мезодерму трехслойных животных. Теперь же получается, что функции энтодермы выполняет участок эктодермы полипа. Что же остается энтодерме?

Ученые накормили полипов флуоресцирующей пищей и обнаружили образование меченых (светящихся) жировых капель в производных энтодермы. Там же обнаружилась и транскрипция лизосомальной липазы (lysosomal lipase), инсулинового рецептора и ядерного рецептора гормона связывания жирных кислот (hnf4). У трехслойных животных всасывание и хранение питательных веществ осуществляют производные мезодермы. Расщеплением и связыванием же занимаются как мезодерма, так и энтодерма.

Локализация экспрессии генов, характерных для мезодермы, подтвердила наличие сходства между энтодермой двуслойных и мезодермой трехслойных. Ортологи генов брюшной внутренностной мезодермы, скелетных мышц, шести из семи транскрипционных факторов сердечных мышц и почти всех генов сомитогенеза у нематостеллы экспрессируются именно в энтодерме.

Долгое время считалось, что эктодерма двуслойных животных гомологична эктодерме трехслойных, а энтодерма двуслойных — энто- и мезодерме трехслойных. В данной работе выдвигается альтернативная гипотеза родства зародышевых листков. Во-первых, показано, что у нематостеллы во время эмбрионального развития имеются три отдельных, локально ограниченных участка, соответствующих экто-, энто- и мезодерме трехслойных, однако организованы они в два слоя. Во-вторых, часть эктодермы выполняет функции энтодермы трехслойных, а энтодерма выполняет функции мезодермы. Таким образом, при гаструляции нематостеллы путем впячивания происходит разделение не на эктодерму и энтодерму, а, скорее, на эктодерму и мезодерму. А промежуточный участок, который относили всегда к эктодерме, — «глоточная эктодерма» — является на самом деле энтодермой.

Подготовлено по материалам: Patrick R. H. Steinmetz, Andy Aman, Johanna E. M. Kraus & Ulrich Technau. Gut-like ectodermal tissue in a sea anemone challenges germ layer homology // Nature Ecology & Evolution. 2017. V. 1. P. 1535–1542. DOI: 10.1038/s41559-017-0285-5.

Алёна Сухопутова

Источники:

1. elementy.ru