Отмена клеточной смерти нейронов помогла обонятельной системе дрозофил эволюционировать

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

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