У бесчелюстных обнаружены зачатки симпатической нервной системы

В новой работе, проведенной на морской миноге (Petromyzon marinus) ученые смогли доказать, что симпатоандреналовые клетки, функционирующие за счет дофамина, у бесчелюстных существуют и образуют тонкие продольные тяжи. Симпатоандреналовые клетки бесчелюстных происходят от клеток нервного гребня, как и у остальных позвоночных.

Самыми примитивными позвоночными являются представители группы бесчелюстных — миноги и миксины (их объединяют в надкласс Круглоротые). К позвоночным их относят потому, что, хотя ведущую опорную роль у них играет хорда, у них есть и зачатки позвонков. Хорда — это гибкий тяж из соединительной ткани, который в ходе эволюции животных появился в качестве опорного органа. Животных, которые имеют хорду по крайней мере на некоторых этапах индивидуального развития, объединяют в тип Хордовые (Chordata). У простейшего современного представителя этого типа, ланцетника, хорда остается на всю жизнь, а у позвоночных хорда во время эмбрионального развития редуцируется до межпозвоночных дисков, и роль опоры на себя берет костная структура — позвоночник. Можно сказать, что с точки зрения опорной структуры круглоротые занимают промежуточное положение между ланцетником и остальными позвоночными. Ланцетника круглоротые опережают в эволюционном плане наличием черепа, пусть и полностью хрящевого.

Схема нервной системы миноги. А — вид сверху, Б — вид снизу. 1 — передний мозг; 2 — обонятельные доли; 3 — обонятельный нерв; 4 — промежуточный мозг; 5 и 6 — правый и левый габенулярные ганглии; 7 — пинеальный орган (эпифиз), прикрывающий париетальный орган; 8 — зрительный нерв; 9 — воронка; 10 — зрительные доли; 11 — отверстие в крыше среднего мозга; 12 — дно среднего мозга; 13 — глазодвигательный нерв; 14 — тройничный нерв; 15 — лицевой нерв; 16 — слуховой нерв; 17 — продолговатый мозг; 18 — ромбовидная ямка; 19 — зачаточный мозжечок. Рисунок с сайта studfile.net.

В отличие от ланцетника, у которого нервная система представлена нервной трубкой, не разделенной на отделы, нервная система круглоротых подразделяется на спинной и головной мозг. Их головной мозг, как и у всех позвоночных, разделен на пять отделов: передний, промежуточный, средний, мозжечок и продолговатый. Миног и миксин от прочих позвоночных отделяет очень важный эволюционный признак: как и следует из названия группы, у них нет челюстей. Например, миноги питаются, присасываясь к рыбам ротовой воронкой с многочисленными роговыми зубцами и буравя мягкие ткани.

В развитии позвоночных важнейшую роль играет так называемый нервный гребень — скопление стволовых клеток, которые «расползаются» по телу эмбриона и дают начало многим структурам, составляющим основу плана строения позвоночного. Прежде всего, это скелетная часть черепа и лица, часть сердца, а также ганглии — периферические сенсорные ганглии и энтеральные ганглии. Принято считать, что у бесчелюстных нет цепочек симпатоандреналовых ганглиев, то есть аналогов симпатической нервной системы высших позвоночных. Обычно под симпатической нервной системы понимают часть вегетативной нервной системы, регуляторные «узлы» — ганглии — которой расположены не рядом с органами, которыми они управляют, а вдоль спинного мозга. В противовес ей другой отдел вегетативной нервной системы — парасимпатическая нервная система — не образует цепочек ганглиев: они находятся вблизи органов, которые иннервируют.

Функционально симпатическая нервная система регулирует реакции, лежащие в основе ответа организма на стресс (см. Реакция «бей или беги»), и стимулирует образование адреналина надпочечниками — эту связь часто именуют симпатоандреналовой системой. Данные предыдущих исследований указывали на то, что бесчелюстные отделились от эволюционного «мейнстрима» животных до полноценного формирования этой системы: ранее у миног и миксин обнаруживали лишь обособленные рассеянные скопления хромаффинных клеток, которые выделяют адреналин. Но, как показала недавняя статья, опубликованная в журнале Nature, и у бесчелюстных все не так просто.

Было известно, что у позвоночных предшественники клеток ганглиев симпатической нервной системы, организованных в цепочки, происходят от особых симпатоандреналовых клеток-предшественниц. От них же происходят хромаффинные клетки, которые входят в состав надпочечников. Надежный показатель принадлежности клеток к той или иной группе — экспрессия специфических транскрипционных факторов. Клетки симпатоандреналового ряда характеризуются экспрессией трех факторов — Ascl1, Phox2b и Hand2. Кроме того, в этих клетках экспрессируются два фермента, необходимых для биосинтеза катехоламинов, а именно, норадреналина и адреналина, — тироксингидроксилаза (Th) и дофамин-β-гидроксилаза (Dbh). Но, как было показано ранее, хромафинные клетки круглоротых существенно отличаются от таковых у позвоночных. Более того, в предыдущих исследованиях транскрипционные программы дифференцировки клеток симпатоандреналовой системы не удавалось выявить при раннем развитии нервного гребня у миног. Хотя напрашивается заключение, что симпатоандреналовой системы у круглоротых нет, встает вопрос: из чего же развиваются их хромаффинные клетки, пусть и отличающиеся от таковых у позвоночных?

Авторы обсуждаемой работы заключили, что, раз у круглоротых в том или ином виде присутствуют скопления хромаффинных клеток, должны и существовать клетки, которые потенциально бы могли быть и их предшественниками, и предшественниками клеток симпатоандреналовой системы. Чтобы выявить экспрессию вышеупомянутых специфических транскрипционных факторов (Ascl1, Phox2b и Hand2), ученые наблюдали, как соответствующие гены экспрессируются на тех этапах развития, когда формируется симпатоандреналовая система остальных позвоночных. Чтобы выявить экспрессию того или иного гена, используется метод, известный как флуоресцентная гибридизация in situ (FISH — fluorescence in situ hybridization). Для интересующего гена синтезируется помеченная флуорофором последовательность, комплементарная некоторому его участку. Обработка клеток флуоресцентной последовательностью приводит к тому, что ген-мишень начинает тоже светиться, и это свечение детектируется с помощью микроскопа.

Используя модифицированную разновидность FISH, исследователям удалось «поймать» момент, когда ген Ascl1 активно экспрессируется в районе головы и менее активно вдоль нотохорда, Phox2 активно экспрессируется в промежуточном мозге, заднем мозге и прилегающих жаберных дуг. Наконец, Hand2 экспрессируется преимущественно в сердце, а также вентральной фарингеальной мезенхиме. Важно отметить, что эти три гена в большинстве клеток экспрессировались одновременно, но на более поздних этапах развития, чем у остальных позвоночных. Таким образом, клетки, экспрессирующие три ключевых фактора клеток симпатоадреналового происхождения, которые консервативны для аналогичных клеток у высших позвоночных, у круглоротых есть, просто возникают они позже, чем у других позвоночных. Вообще, как оказалось, нейрогенез у круглоротых завершается только на поздних личиночных стадиях.

Личинка миноги, окрашенная с помощью модифицированного метода FISH. Ген Phox2 экспрессируется в зонах, окрашенных бирюзовым, Ascl1 — серо-белым, Hand — красным, флуоресцентный краситель DAPI окрашивает ДНК синим. Рисунок из обсуждаемой статьи.

Итак, клетки симпатоандреналового происхождения у бесчелюстных имеются. Но могут ли они синтезировать катехоламины, без которых не может функционировать симпатическая нервная система?

Оказалось, что клетки, одновременно экспрессирующие Ascl1, Phox2b и Hand2, также экспрессируют и Th, и Dbh. Клетки, одновременно экспрессирующие Th, и Dbh, располагаются в вентральной части глотки, в сердце и вдоль хорды, подобно тому, как у высших позвоночных такие клетки формируют тяжи, идущие вдоль позвоночника. Более того, ученым удалось выявить экспрессию транспортера норадреналина Slc6a2 на чуть более поздней стадии развития. Однако симпатоандреналовые клетки круглоротых не собраны в ганглии, а располагаются поодиночке или собраны в мелкие кластеры, идущие вдоль хорды. Дальнейшие эксперименты авторов показали, что скопления симпатоандреналовых клеток круглоротых вблизи сердца — это те самые хромаффинные клетки, которые были обнаружены в предыдущих исследованиях. А вот скопления симпатоандреналовых клеток, располагающихся вдоль позвоночника и дорсальной аорты, можно считать периферическими симпатическими нейронами, которые раньше у круглоротых никто не описывал. Симпатобласты, «порождающие» эти клетки, как выяснилось, происходят от клеток, начало которым дал нервный гребень.

Чтобы окончательно убедиться, что найденные клетки действительно аналогичны клеткам симпатоандреналовой системы высших позвоночных, ученые провели секвенирование РНК одиночных предполагаемых симпатоандреналовых клеток, экспрессирующих тирозингидроксилазу и не экспрессирующих ее. Было показано, что клетки, экспрессирующие тирозингидроксилазу, экспрессируют и транспортер норадреналина, что подтверждает их симпатоандреналовую природу. Анализ данных секвенирования РНК позволил установить, что в клетках, экспрессирующих тирозингидроксилазу, присутствуют белки, связывающие железо и медь — кофакторы для тирозингидроксилазы и дофамин-β-гидроксилазы, то есть ферменты активны в этих клетках. Синаптоандреналовую природу клеток, найденных авторами, подтвердили и дополнительные эксперименты, направленные на выявление в них разнообразных факторов, задействованных в продукции катехоламинов. Таким образом, у круглоротых имеется симпатоандреналовая система (или как минимум ее зачатки), происходящая из нервного гребня и представленная скоплениями, расположенными вдоль хорды. По результатам исследования можно заключить, что норадреналин функционирует в теле миног. Сложности с гистологическим выявлением симпатоандреналовых клеток ранее связаны, вероятно, с меньшим, по сравнению с другими позвоночными, количеством этих клеток как у личинок, так и у взрослых особей.

Источник: Brittany M. Edens, Jan Stundl, Hugo A. Urrutia & Marianne E. Bronner. Neural crest origin of sympathetic neurons at the dawn of vertebrates // Nature. 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07297-0.

Елизавета Минина, Элементы.