Морские миноги, одни из двух позвоночных, не имеющих челюстей, которые наносят ущерб рыболовству на Среднем Западе, одновременно помогают ученым понять происхождение двух важных стволовых клеток, которые способствовали эволюции позвоночных.
Биологи Северо-Западного университета определили, когда могла развиться генная сеть, регулирующая эти стволовые клетки, и получили представление о том, что может быть причиной отсутствия нижних челюстей у миног. Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution.
Оба типа клеток — плюрипотентные клетки бластулы (или эмбриональные стволовые клетки) и клетки нервного гребня — являются «плюрипотентными», что означает, что они могут стать всеми другими типами клеток в организме.
В новой статье исследователи сравнили гены миноги с генами Xenopus, челюстной водной лягушки. Используя сравнительную транскриптомику, исследование выявило поразительно схожую сеть генов плюрипотентности среди бесчелюстных и челюстных позвоночных, даже на уровне распространенности транскриптов для ключевых регуляторных факторов.
Но исследователи также обнаружили ключевое различие. В то время как клетки бластулы обоих видов экспрессируют ген pou5, ключевой регулятор стволовых клеток, этот ген не экспрессируется в стволовых клетках нервного гребня у миног. Потеря этого фактора могла ограничить способность клеток нервного гребня формировать типы клеток, обнаруженные у челюстных позвоночных (животных с шипами), которые составляют скелет головы и челюсти.
Сравнивая биологию бесчелюстных и челюстных позвоночных, исследователи могут получить представление об эволюционном происхождении признаков, определяющих позвоночных животных, включая человека, о том, как различия в экспрессии генов способствуют ключевым различиям в плане тела, и как выглядел общий предок всех позвоночных.
«Миноги могут быть ключом к пониманию того, откуда мы произошли», — сказала Кэрол Лабонн из Северо-Западного университета, которая руководила исследованием. «В эволюционной биологии, если вы хотите понять, откуда взялась та или иная особенность, вы не можете рассчитывать на более сложных позвоночных, которые развивались независимо в течение 500 миллионов лет. Вам нужно оглянуться назад, на самую примитивную версию типа животного, которого вы изучаете, что приводит нас к миксинам и миногам — последним живым примерам бесчелюстных позвоночных».
Лабонн и ее коллеги ранее продемонстрировали, что происхождение клеток нервного гребня в процессе развития связано с сохранением сети регуляции генов, которая контролирует плюрипотентность в стволовых клетках бластулы. В новом исследовании они изучили эволюционное происхождение связей между этими двумя популяциями стволовых клеток.
«Стволовые клетки нервного гребня подобны эволюционному набору Lego», — сказала Лабонн. «Они становятся совершенно разными типами клеток, включая нейроны и мышцы, и все эти типы клеток имеют общее происхождение в нервном гребне».
В то время как эмбриональные стволовые клетки на стадии бластулы довольно быстро теряют свою плюрипотентность и ограничиваются определенными типами клеток по мере развития эмбриона, клетки нервного гребня сохраняют молекулярный набор инструментов, который контролирует плюрипотентность на более поздних этапах развития.
Команда Лабонна обнаружила полностью неповрежденную сеть плюрипотентности в клетках бластулы миноги, стволовых клетках, роль которых в бесчелюстных позвоночных была открытым вопросом. Это означает, что популяции бластулы и стволовых клеток нервного гребня челюстных и бесчелюстных позвоночных коэволюционировали у основания позвоночных.
Постдокторант Северо-Западного университета и первый автор Джошуа Йорк заметил «больше сходств, чем различий» между миногами и Xenopus.
«В то время как большинство генов, контролирующих плюрипотентность, экспрессируются в нервном гребне миноги, экспрессия одного из этих ключевых генов — pou5 — была утрачена в этих клетках», — сказал Йорк. «Удивительно, но даже несмотря на то, что pou5 не экспрессируется в нервном гребне миноги, он мог способствовать формированию нервного гребня, когда мы экспрессировали его у лягушек, что позволяет предположить, что этот ген является частью древней сети плюрипотентности, которая присутствовала у наших самых ранних предков позвоночных».
Эксперимент также помог им выдвинуть гипотезу о том, что этот ген был утрачен именно у определенных существ, а не развился у челюстных позвоночных позднее.
«Еще одним замечательным открытием исследования является то, что, хотя эти животные разделены 500 миллионами лет эволюции, существуют строгие ограничения на уровни экспрессии генов, необходимые для обеспечения плюрипотентности», — сказала Лабонн. «Главный вопрос без ответа: почему?»
