Убивающий тасманийских дьяволов рак оказался эволюционно консервативным
Специалисты отследили эволюцию лицевой опухоли дьявола (DFTD1) — инфекционного рака, который поставил тасманийских дьяволов на грань вымирания. Исследование подтвердило, что болезнь зародилась на северо-востоке Тасмании: именно здесь возникли пять эволюционных линий, две из которых угасли, а три остальные распространились по всему острову. При этом, несмотря на десятилетия эволюции, с генетической точки зрения DFTD1 изменилась довольно слабо: как отмечается в статье для журнала PLoS Biology, порой клетки в одной человеческой раковой опухоли похожи друг на друга меньше, чем опухоли дьяволов с разных концов Тасмании.
Еще несколько десятилетий назад тасманийские дьяволы (Sarcophilus harrisii) были обычны на своем родном острове. Однако в середине 1990 годов среди них начал распространяться инфекционный рак — так называемая лицевая опухоль дьявола (DFTD1; существует также менее известная и более редкая DFTD2, которую открыли всего несколько лет назад), которая передается от особи к особи при укусах за морду. За год-полтора после заражения она разрастается настолько, что не дает животным питаться и приводит их к гибели.
По расчетам зоологов, только с 1996 по 2016 годы лицевая опухоль погубила более 80 процентов популяции тасманийских дьяволов. Хотя некоторые части острова пока остаются свободными от болезни, а кое-где животные даже начали вырабатывать устойчивость к ней, специалисты смотрят в будущее вида с пессимизмом: без экстраординарных мер по охране он может исчезнуть в дикой природе уже к 2030–2040 годам.
Чтобы помочь тасманийским дьяволам выжить, ученым нужно больше узнать об угрожающей им болезни. На сегодняшний день уже известно, что опухоль представляет собой клональную линию злокачественных клеток, которая произошла от шванновских клеток одной особи, а затем широко распространилась в популяции. Однако как именно происходило ее распространение по острову, пока неясно.
Разобраться в этом вопросе решила команда исследователей во главе с Элизабет Мерчисон (Elizabeth P. Murchison) из Кембриджского университета. Они проанализировали геномы 648 лицевых опухолей дьяволов, собранных по всей Тасмании с 2003 по 2018 год. Выделив 456 однонуклеотидных вариаций, а также 932 вариации числа копий и 94 соматические митохондриальные мутации, авторы смогли построить филогенетическое древо заболевания.
Исследователи обнаружили, что уже на ранних этапах эволюции, то есть до 2003 года, DFTD1 разделилась на пять эволюционных линий. Они получили условные названия A, B, С, D и E. К кладе D относятся две опухоли из выборки, а к E — всего одна. Судя по всему, обе эти линии исчезли. Зато три оставшиеся, на которые приходится 99 процентов выборки, широко распространились по Тасмании.
Филогенетические данные подтверждают сделанные ранее наблюдения, согласно которым DFTD1 зародилась на северо-востоке Тасмании в 1980 или 1990 годах, а затем поразила популяции дьяволов с высокой плотностью, которые населяли восток и центр острова. Позднее болезнь проникла на северо-запад.
Линии A, B и C, скорее всего, также разошлись на северо-востоке. Клада А разделилась на две: А1 распространилась на юг вдоль восточного побережья, а A2 колонизировала центр, после чего продолжила движение на северо-запад и юг. Клада B поразила центральные, северные и восточные популяции (и в отдельных регионах вытеснила линию А, возможно, благодаря способности существовать в поредевших популяциях дьяволов), а клада C двигалась на запад, постепенно достигнув побережья.
По крайней мере у 37 дьяволов были выявлены опухоли, принадлежащие к разным эволюционным линиям. Это не только указывает на то, что заражение одним типом DFTD1 не защищает от других, но и свидетельствует о возможной конкуренции опухолевых клеток из разных клад внутри одного хозяина. Дополнительный анализ показал, что чаще всего DFTD1 закрепляется на нижней челюсти, а затем поражает всю морду.
Интересно, что, несмотря на десятилетия эволюции, с генетической точки зрения DFTD1 изменилась довольно слабо. Как отмечают авторы, разные раковые опухоли у одного человека (а порой и клетки внутри одной опухоли) отличаются друг от друга сильнее, чем лицевые опухоли дьяволов с разных концов Тасмании. Вероятно, уже на ранних этапах DFTD1 приобрела геномную конфигурацию, которая идеально подходит для заражения хозяев и размножения внутри них. Тем не менее, эволюция заболевания все-таки продолжается. Например, авторы обнаружили следы положительного отбора по локусу PDGFRB, направленные на ускоренную пролиферацию клеток.
Авторы надеются, что их работа позволит сделать меры по охране тасманийских дьяволов более эффективными. Кроме того, она может пролить свет на эволюцию инфекционных видов рака.
Наиболее эффективным методом спасения тасманийских дьяволов от вымирания считается создание страховочных популяций, свободных от болезни. Недавно специалисты начали создавать такую популяцию в материковой Австралии, где дьяволы исчезли около трех тысяч лет назад. Есть надежда, что проект не только позволит сохранить исчезающий вид, но и пойдет на пользу местной экосистеме, страдающей от завезенных хищников, таких как кошки и лисы.
Сергей Коленов
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.