Международная группа ученых рассмотрела одну из фундаментальных проблем биологии развития — процесс формирования различных типов клеток, входящих в состав сложных организмов из одинаковых клеток-предшественников. Исследователи изучали клетки нервного гребня рыбок Danio rerio. Это особый тип клеток, присущий всем позвоночным, и они способны развиваться в различные клеточные типы, включая нейроны, клетки глии, хрящей, пигментные клетки и клетки некоторых других типов. Результат научной работы опубликован в журнале Nature Communications. Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (грант № 075-15-2021-601).
Клетки нервного гребня — это интересные мигрирующие клетки, по своему поведению напоминающие раковые, — в том смысле, что они также способны перемещаться по организму. Отличие в том, что раковые клетки образуют метастазы в различных местах, разрушая организм, а клетки нервного гребня создают, например, вегетативную нервную систему.
«У зародышей всех позвоночных формируются хорда и нервная трубка, и в последней возникает тот самый нервный гребень, в котором формируются клетки, способные мигрировать по всему организму и преобразовываться в клетки разных типов. Этот процесс хорошо изучен, но до сих пор непонятно, в какой момент происходит выбор клеткой “своей судьбы”. Версия ограниченного пути (DFR, direct fate restriction) предполагает, что в ходе миграции клетка достигает целевого органа и под воздействием сигналов от клеток этого органа приобретает свой окончательный клеточный тип. Например, в коже под влиянием каких-то окружающих клеток образуются пигментные клетки. Версия прогрессивного пути (PFR, progressive fate restriction) предполагает, что клетка сначала приобретает предопределенный клеточный тип и дальше направляется в предназначенную ей ткань», — рассказал об исследовании Всеволод Макеев, заведующий кафедрой биоинформатики МФТИ.
Клетки нервного гребня со своими потомками (их называют также «производными») — довольно сложная система, представляющая собой сообщество разных типов клеток. Главное, что затрудняет исследования: эти клетки не образуют пластов из-за постоянной миграции, и их довольно трудно выделить на пути перехода. Таким образом, объектом исследования стали пигментные клетки, которые имеют присущий им цвет, что наглядно видно у ярких рыбок Danio rerio. Давняя, но непроверенная гипотеза предполагает, что все типы пигментных клеток у позвоночных имеют общего и эксклюзивного предшественника.
Данио рерио имеет три типа пигментных клеток: черные меланоциты (M), желтые ксантофоры (X) и отражающие серебристые иридофоры (I). Таким образом, в ходе формирования все три типа пигментных клеток распределяются особым образом, складывая трехцветный рисунок с продольными черными полосками.
Исследователи изучили судьбу 1317 клеток нервного гребня мальков, помечая зеленым флуоресцентным белком (GFP) еще в икринках определенный ген, работа которого характерна для клеток нервного гребня на ранних стадиях развития. Продукт этого гена заставляет светиться всех потомков таких клеток, что позволяет проследить дальнейшую судьбу путешественников.
Первоначально ученые задались целью ответить на вопрос о том, как происходит само «определение судьбы»: получают ли клетки нервного гребня, достигая какого-то места, сигналы о предстоящем изменении от окрестных тканей, либо наоборот: с самого начала своего пути они знают, кем собираются стать, и идут к своей цели. Споры на эту тему ведутся уже более 15 лет, и проведено довольно много экспериментов в пользу каждой из теорий. В настоящее время наиболее популярна компромиссная концепция PFR, согласно которой, в ходе миграции возможности выбора у клетки постепенно уменьшаются. Например, при выходе из нервного гребня клетка направляется в сторону кожи. В начале пути клетка может выбрать любую судьбу, потом — любую, кроме хрящевой, а где-то ближе к «пункту назначения» у нее остается выбор стать только одной из трех пигментных клеток.
В этом исследовании планировалось выявить промежуточные типы, в частности, найти и описать предшественников трех типов пигментных клеток. К удивлению исследователей, этого сделать не удалось. Было обнаружено, что клетки, которые могут давать все типы пигментных клеток, как минимум могут образовывать еще периферические нейроны и клетки глии. Такая ситуация в чем-то схожа с теорией, что клетки нервного гребня в итоге делают свой окончательный выбор, получая сигналы от клеток, окружающих их, когда они достигают конечного пункта, с той разницей, что число возможных типов сильно меньше, чем полный спектр производных нервного гребня. Например, клетки, которые переходят в хрящи, определяют свой тип существенно раньше.
Интересно, что выбор конкретного клеточного типа из пяти возможных тоже происходит новым способом.
«В результате анализа мы пришли к новой модели, где клеточный тип определяется динамически: приближаясь к месту назначения, “предшественники” ведут себя в зависимости от поступающего к ним от окружения сигнала; если сигнал поступает, клетки приобретают свой окончательный тип, а если нет, они меняют свое “внутреннее состояние” таким образом, что становятся в состоянии воспринять другой сигнал и приобрести другой клеточный тип. Если и этот сигнал не поступает, клетки опять меняют свое внутреннее состояние. Подобная модель позволяет объяснить результаты многих экспериментов. Это как выбор работы: мы нацелены на определенный результат и ждем предложений, но если они не поступают, рассматриваем и варианты других профессий, начинаем обращать внимание на предложения, которые игнорировали раньше», — подытожил Всеволод Макеев.
Для формулировки этих результатов потребовались многочисленные очень тонкие эксперименты, проведенные в Великобритании, в Университете города Бата, группой профессора Робера Келша. Российская группа провела исследования в области биоинформатики, которые позволили объединить результаты многолетних экспериментов, поставленных разными исследовательскими группами, всесторонне охарактеризовать ключевые гены и дать более полную оценку их вероятной активности на протяжении процесса дифференцировки. В проведении работы большую роль сыграл грант на поддержку сотрудничества в области фундаментальных научных исследований, предоставленный совместно РФФИ и Лондонским королевским обществом.
В исследовании принимали участие ученые из Университета Бата и Университета Суррея (Великобритания), Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, Московского физико-технического института, Института проблем передачи информации им. А. А. Харкевича и Казанского федерального университета.
Текст: пресс-служба МФТИ
Subkhankulova, T., Camargo Sosa, K., Uroshlev, L.A. et al. Zebrafish pigment cells develop directly from persistent highly multipotent progenitors. Nat Commun 14, 1258 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36876-4
