Теперь мы можем массово перепрограммировать клетки
Биологи обнаружили у морского желудевого червя Schizocardium californicum необычно широкую перестройку клеток во время превращения личинки во взрослое животное. Анализ клеток показал, что многие из них, по-видимому, не погибают и не сохраняют прежнюю специализацию, а меняют программу работы и приобретают свойства клеток взрослого организма. Такой механизм раньше не считался обычной частью развития двусторонне-симметричных животных.
Ученые исследовали 87 021 клетку на пяти этапах жизни червя: у ранних и поздних личинок, во время метаморфоза, а затем у молодых особей двух возрастов. Для каждой клетки определяли набор работающих генов с помощью секвенирования РНК отдельных клеток. В результате получился клеточный атлас из 56 групп, объединенных в 12 крупных классов, среди которых нервные, мышечные, иммунные, эпителиальные и пищеварительные клетки.
Самым неожиданным оказалось сравнение личиночной и взрослой стадий. Нервные клетки личинки по активности генов в некоторых случаях сильнее напоминали другие клетки той же личинки, например клетки кишечника, чем нервные клетки молодого червя. Похожая картина наблюдалась в тканях, происходящих из эктодермы и энтодермы. Значит, при метаморфозе меняется не несколько отдельных генов, а большая часть рабочей программы клетки.
Мышечные и другие клетки мезодермы вели себя иначе. Их молекулярный профиль оставался сравнительно стабильным до и после превращения. Метаморфоз Schizocardium californicum поэтому больше похож не на полную замену одного набора клеток другим, а на сочетание разных процессов: часть клеток сохраняет специализацию, часть исчезает, а некоторые, вероятно, получают новую клеточную судьбу.
Чтобы проверить, переживают ли личиночные клетки само превращение, биологи пометили делящиеся клетки химической меткой и проследили за ними после метаморфоза. Часть помеченных клеток сохранилась даже спустя 43 дня. У молодых червей такие клетки находили в хоботке, воротничке и вдоль спинной стороны тела. Некоторые клетки, помеченные еще на личиночной стадии, позднее начали вырабатывать молекулярный маркер, характерный для нервных клеток молодой особи.
Результаты поддерживают гипотезу о клеточном перепрограммировании, но пока не доказывают, что большинство конкретных личиночных клеток напрямую превращается в клетки другого типа. Авторы работы подчеркивают, что для окончательного ответа нужны эксперименты, позволяющие проследить судьбу отдельных клеточных линий. Возможны как потеря прежней специализации с последующим приобретением новой, так и прямое превращение одного типа клетки в другой.
Schizocardium californicum особенно удобен для изучения такой перестройки из-за резкой разницы между двумя этапами жизни. Прозрачная личинка размером около 0,1 мм несколько месяцев плавает в толще воды, двигается с помощью ресничек и питается фитопланктоном. После метаморфоза тело вытягивается примерно до 3–4 мм, животное переходит к жизни в донном грунте, формирует хоботок, воротничок, жаберные структуры и другую нервную систему.
До сих пор биология развития во многом опиралась на животных, у которых основные части взрослого тела формируются еще в зародыше. У множества морских беспозвоночных жизненный цикл устроен иначе: личинка и взрослая форма могут настолько отличаться, что перестройке приходится затрагивать почти весь организм. Новые результаты показывают, что метаморфоз способен менять не только форму тела, но и саму молекулярную идентичность клеток.
Авторы предполагают, что подобная пластичность может встречаться у животных с непрямым развитием гораздо чаще, чем считалось. Клеточная специализация в таком случае не всегда оказывается конечным состоянием: некоторые зрелые клетки могут сохранять способность радикально менять программу работы без полного уничтожения ткани и построения организма заново.