Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Отмена клеточной смерти нейронов помогла обонятельной системе дрозофил эволюционировать

Lucia Prieto-Godino et al. / Science Advances, 2020

Блокирование программируемой клеточной гибели приводит к развитию дополнительных функционально активных нейронов в обонятельной системе Drosophila melanogaster. Такие нейроны могут нести другие рецепторы и аксональные проекции, чем клетки, которые развиваются естественным путем, а значит, этот механизм может быть основой возникновения новых сигнальных путей и эволюции сенсорных систем. Исследователи показали, что выжившие нервные клетки получили новые функции у некоторых видов дрозофил, а также у комаров. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Эволюция нервной системы зачастую требует привлечения новых нейронов: таким образом можно повысить чувствительность сенсорных систем, улучшить когнитивные способности, например, объем памяти или возможности параллельной обработки нескольких потоков информации. Увеличить число нейронов можно разными способами. Самое очевидное — еще во время развития создать больше клеток-предшественников нейронов или заставить их больше делиться.

Есть и другая возможность наращивать количество рабочих нервных клеток. Дело в том, что в процессе развития многие нейроны проходят через программируемую клеточную гибель. Соответственно, если остановить этот механизм, большее число клеток может встроиться в нервную систему. Действительно, если генетически заблокировать клеточную смерть у мышей или дрозофил, развивается увеличенный, но деформированный, мозг. Подобный эксперимент проводили и на червях Caenorhabditis elegans, и многие выжившие клетки дифференцировались в нейроны и даже компенсировали функции удаленных нервных клеток.

У дрозофил главный обонятельный орган — антенны, покрытые чувствительными волосками (сенсиллами). Каждая сенсилла формируется из одной клетки-предшественника: та дает начало четырем клеткам-спутникам и четырем сенсорным нейронам. Однако лишь немногие волоски имеют четыре обонятельные нервные клетки, в остальных остается только одна или две, а остальные проходят через клеточную гибель.

Люсия Прието-Годино (Lucia Prieto-Godino) из Лозаннского университета и ее коллеги из Швейцарии, Германии и Великобритании изучили возможности развития новых нейронных связей в обонятельной системе Drosophila melanogaster при блокировании программированной клеточной гибели.

Ученые заблокировали гены, которые необходимы для программируемой клеточной смерти, у трансгенных животных или локально с помощью РНК-интерференции. Затем изучили электрофизиологические характеристики развившихся нейронов, в том числе их активность в ответ на обонятельные стимулы. Также оценили экспрессию рецепторов в клетках волосков.

Нейроны промаркировали, добавив флуоресцентную метку к одному из проапоптотических генов: если клетка была обречена на гибель, этот ген экспрессировался, а вместе с ним и светящийся белок. Так ученым удалось отследить аксональные проекции выживших при блокировании программируемой клеточной смерти нейронов.

Исследователи предположили, что выживание нейронов при развитии антенн могло послужить основой эволюционных изменений в филогенетическом ряду насекомых. Чтобы проверить это, сравнили количество нервных клеток в волосках на антеннах дрозофил 26 разных видов.

Кроме того, ученые заметили, что у комаров есть дополнительный нейрон волосков на члениках максилл (челюстей) по сравнению с дрозофилами. Этот нейрон чувствителен к углекислому газу, тогда как остальные клетки сенсилл такого типа несут другие рецепторы. У дрозофил клетки, распознающие углекислый газ, есть только на антеннах, но не на челюстях. Чтобы узнать, могло ли это новое свойство появиться в результате настройки программируемой клеточной гибели, исследователи заблокировали ее в максиллах дрозофил и проанализировали состав рецепторов на развившихся нейронах.

В результате блокирования программируемой клеточной смерти количество нейронов в антеннах увеличилось на 200-300 штук, тогда как по оценкам ученых количество гибнущих в процессе развития клеток варьируется от 300 до 400. В антеннах увеличилась спонтанная электрическая активность и возбуждение в ответ на обонятельные стимулы, количество рецепторов в волосках было увеличено по сравнению с контролем (а распределение по типам рецепторов сохранилось) — значит, выжившие нейроны функциональны.

Аксоны выживших нейронов заходили в обонятельную долю мозга дрозофил и формировали там гломерулярные синапсы, как и клетки которые развиваются естественным путем. Однако клетки с одинаковыми рецепторами формировали контакты не с одним клубочком, как у контрольных животных, а с разными. Авторы работы делают вывод, что выжившие нейроны могут служить основой для новых проекций и эволюции сигнальных путей.

У большинства видов дрозофил количество нейронов в волосках одного типа были одинаковым, однако в сенсиллах типа at1 девяти видов мух электрофизиологически активными оказались два нейрона вместо одного. Одна из этих двух клеток не отвечала на свойственный этим волоскам обонятельный стимул — вероятно, на ней экспрессируются дополнительные рецепторы, которые несут новые сенсорные функции.

При блокировании клеточной смерти в максиллах Drosophila melanogaster, на некоторых нейронах обнаружили рецепторы к углекислому газу, а проекции этих клеток были схожи с таковыми у комаров. Значит, регуляция программируемой клеточной гибели вполне могла привести к эволюционным различиям обонятельной системы у этих насекомых.

Несмотря на кажущуюся простоту, обонятельная система дрозофил эффективно анализирует информацию. Ее устройство даже вдохновило ученых на создание модели машинного обучения, которая позволяет искать сходства объектов.

Алиса Бахарева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.