В течение длительного периода времени процесс роста живых существ рассматривался как последовательность событий, необратимо ведущих в одном направлении: после приобретения клеткой определенной функции ее дальнейшая трансформация представляется затруднительной. Однако небольшой морской червь, распространенный вдоль побережья Калифорнии, продемонстрировал иную картину. В процессе трансформации из личиночной стадии во взрослую особь наблюдаются не только изменения в форме тела, но и масштабное перенаправление клеточных процессов: некоторые клетки подвергаются метаморфозу и впоследствии переходят в альтернативное состояние.

Клеточная дифференцировка — процесс, в процессе которого клетки обретают определенные характеристики и начинают выполнять специализированные задачи. Изначально считалось, что по мере роста организма каждая клетка приобретает фиксированную специализацию, которая остается неизменной на протяжении всей жизни.

Какие изменения происходят с клетками организмов, демонстрирующих стадии полного или неполного метаморфоза? По мнению экспертов, около 80% видов животных проходят через период, характеризующийся значительной перестройкой формы и строения тела. Гусеница трансформируется в бабочку, головастик превращается в лягушку, а морские беспозвоночные совершают переход от личиночной стадии к взрослой особи. Часто личинка и взрослая особь настолько различны по внешнему виду, что напоминают совершенно разные виды.

В прошлом некоторые исследователи выдвигали гипотезу о том, что в процессе трансформации старые клетки личинок уничтожаются, а новое тело формируется из клеток-предшественников. В то же время другие предполагали, что клетки сохраняют свои первоначальные характеристики даже после взросления организма. Например, клетка кожи личинки постепенно преобразуется в клетку кожи взрослого животного, а мышечная клетка продолжает оставаться мышечной.

Американские генетики и эволюционные биологи под руководством Кристофера Лоу ( Christopher Lowe) из Стэнфордского университета предприняла попытку установить, какие процессы действительно происходят с клетками личинки во время метаморфоза. В качестве объекта исследования был выбран морской желудевого червя Schizocardium californicum, обитающего в Тихом океане.

Принятие данного решения было обусловлено двумя факторами. Прежде всего, данный вид представляет собой удобный объект для исследования процесса метаморфоза: на протяжении своей жизни червь демонстрирует весьма значительную перестройку – личиночная форма трансформируется в существенно отличающуюся по строению донную взрослую особь. При этом ключевые изменения происходят всего за период от 24 до 48 часов. Это дает возможность наблюдать за тем, какие процессы происходят с клетками во время полной перестройки организма.

Во-вторых, Schizocardium californicum относится к полухордовым (Hemichordata) — относится к группе вторичноротых животных, близких по родству к хордовым. Полухордовые, совместно с иглокожими, формируют эволюционную линию, тесно связанную с хордовыми. Таким образом, исследование их развития способствует более глубокому пониманию механизмов формирования и эволюции вторичноротых животных.

Исследование, проведенное Лоу и его командой, охватило анализ более 87 тысяч клеток на пяти различных этапах онтогенеза. Schizocardium californicumДалее, для каждой особи был проведен анализ активности генов посредством одноклеточного РНК-секвенирования. Данный метод позволил определить специализацию клеток и установить их принадлежность к определенным типам.

В ходе исследования было идентифицировано 56 клеточных кластеров, которые впоследствии были сгруппированы в 12 основных классов клеток: нервных, мышечных, эндодермальных, мезодермальных, иммунных, секреторных и других. После этого эти группы клеток были сопоставлены на различных этапах жизненного цикла червя.

При сравнении активности генов в клетках личинки и взрослого червя ученые выявили характерную особенность: клетки, выполняющие различные функции во взрослом организме, зачастую демонстрировали схожие наборы активных генов на личиночной стадии. Их генетический код еще не полностью соответствовал той специализации, которую они приобретали в процессе метаморфоза.

Если говорить упрощенно, то клетки личиночной стадии еще не функционировали идентично зрелым аналогам. В период метаморфоза они оставались в живых, но перенастраивали экспрессию генов и обретали новые возможности.

Этот процесс особенно заметен при изучении нервных клеток. Клетки, из которых формировались взрослые нейроны, по набору активных генов иногда демонстрировали большее сходство с клетками кишечника личинки, чем с нейронами взрослого червя. Это не указывает на трансформацию нервной клетки в клетку кишечника; скорее, на ранних этапах развития различные типы клеток имели общие характеристики, а в ходе метаморфоза их генетические программы становились все более дифференцированными. Таким образом, сохраняясь в организме, клетки постепенно приобретали специализацию — определяли свою конечную роль.

Исходя из этого, можно заключить, что многие старые клетки не подвергаются уничтожению и замене новыми, а продолжают существовать, изменяя свою внутреннюю программу. Клетка как бы получает обновленный набор указаний и начинает функционировать иначе.

Тем не менее, не все типы клеток претерпевали изменения в своей функции. Мышечные клетки и некоторые мезодермальные клетки, из которых формируются определенные органы, сохраняли свою первоначальную специализацию на протяжении перехода от личиночной стадии к взрослой особи.

Для подтверждения того, что клетки проходят через процесс метаморфоза, ученые в течение двух суток подвергали личинок воздействию EdU — вещества, которое включается в структуру ДНК клеток, находящихся в фазе деления. После этого животных помещали в обычную воду и продолжали наблюдение до окончания основного этапа превращения. Спустя несколько недель EdU было зафиксировано у взрослых червей, что указывает на сохранение как минимум части клеток личиночной стадии.

Исследователи, представившие новые данные, считают, что полученные результаты расширят понимание клеточной дифференцировки. Возможно, перепрограммирование клеток играет значимую роль в процессе метаморфоза и может встречаться у других животных, характеризующихся сложным жизненным циклом. Оценка распространенности подобного механизма станет задачей для будущих научных работ.

Научная работа опубликована в журнале Nature Communications.