Одинокий

Jul 10, 2023

Nature Communications, том 14, номер статьи: 885 (2023) Цитировать эту статью

2633 Доступа

131 Альтметрика

Подробности о метриках

Книдоциты – это взрывоопасные стрекательные клетки, уникальные для книдарий (кораллов, медуз и т. д.). Специализированные на захвате и защите добычи, книдоциты включают группу из более чем 30 морфологически и функционально различных типов клеток. Эти необычные клетки являются знаковыми примерами биологической новизны, но механизмы развития, определяющие разнообразие стрекательного аппарата, плохо изучены, что затрудняет понимание истории эволюции стрекательных клеток. Используя CRISPR/Cas9-опосредованное редактирование генома актинии Nematostella vectensis, мы показываем, что единственный фактор транскрипции (NvSox2) действует как бинарный переключатель между двумя альтернативными судьбами стрекательных клеток. Нокаут NvSox2 вызывает трансформацию проникающих клеток в захватывающие клетки, которые распространены у других видов актиний, но, по-видимому, заглушены у N. vectensis. Эти результаты раскрывают необычный случай одноклеточного атавизма и расширяют наше понимание диверсификации идентичности типов клеток.

Новые типы клеток способствуют возникновению новых физиологических функций и необходимы для расширения разнообразия организмов; однако понимание механизмов, которые управляют возникновением новых типов клеток, является постоянной проблемой в биологии1,2. Исследования эволюции признаков у многоклеточных организмов выявили «гомеозис» — трансформацию одной части организма в другую часть3 — как важный источник морфологических инноваций. Типичные примеры таких гомеотических новшеств включают превращение лепестков в чашелистики у цветковых растений и трансформацию брюшных сегментов в грудные у насекомых4. С тех пор было показано, что эти трансформации контролируются регионально экспрессируемыми регуляторными генами5,6, демонстрируя, как развитие сложных фенотипов может координироваться с помощью одного генетического переключателя. Совсем недавно гомеозис был использован для объяснения того, как трансформации могут происходить на уровне отдельной клетки. Исследования нейронной дифференцировки у нематод, мух и позвоночных выявили отдельные регуляторные гены, достаточные для преобразования одного нервного подтипа в другой, что подтверждает идею о том, что гомеоз может контролировать индивидуацию клеточной судьбы7. Однако на сегодняшний день ни одно исследование не продемонстрировало гомеотическую индукцию атавизма – возрождения наследственного признака – на уровне отдельного типа клеток. Такая демонстрация обеспечит механистическое понимание того, как гомеозис может стимулировать диверсификацию типов клеток и способствовать увеличению сложности животных.

Жалеющие клетки (книдоциты) относятся к числу наиболее морфологически сложных из всех типов клеток и являются ярким примером клеточной новинки (рис. 1). Обнаруженные исключительно у книдарий (клада, в которую входят кораллы, медузы и их родственники), стрекательные клетки включают разнообразный набор клеток, специализирующихся на захвате добычи, защите и использовании среды обитания, которые широко различаются как по форме, так и по функциям в зависимости от таксона8. Действительно, набор типов стрекательных клеток, обнаруженный у каждого вида книдарий, возможно, является наиболее информативным диагностическим признаком для таксонов с мягким телом, которые составляют более 2/3 из 13 000 видов современных книдарий9,10. В настоящее время известны три основных подтипа стрекательных клеток, которые можно различить по морфологии их стрекательных органелл11. Первые, нематоциты («пронзающие клетки») (рис. 1a–c, g, h), имеют взрывчатую органеллу с толстой стенкой капсулы, содержащей выворачивающийся, наполненный ядом каналец12,13,14,15. У книдарий описано более 30 различных типов нематоцитов, различающихся главным образом морфологией базальной шипистой части канальца (далее называемой «гарпуном»)8. Второй тип стрекательных клеток, спироциты («ловящие клетки»), демонстрирует гораздо меньше морфологических вариаций и по внешнему виду описывается либо как изящный (тонкий), либо крепкий (толстый)16. Несмотря на то, что эти клетки все еще находятся в экструзивном состоянии, они характеризуются двумя чертами, отсутствующими у пирсинговых клеток: тонкой стенкой капсулы с зазубринами, происходящей из сети регулярно расположенных волокон, выстилающих внутреннюю стенку капсулы, и выворачивающимся канальцем, украшенным тонкими боковыми стержнями, которые создают ловушку при разряде17 (рис. 1d–f, i). Третья группа стрекательных клеток, птихоциты («прикрепленные клетки»), как известно, не содержит токсинов, и их полезная нагрузка состоит только из складчатых липких канальцев, сложенных внутри тонкостенной капсулы18 (рис. 1j–l). Широкое распространение пирсинговых клеток (нематоцитов) по всему типу позволяет предположить, что этот тип клеток присутствовал у последнего общего предка книдарий (рис. 1m). Более ограниченное распределение типов захватывающих и прикрепляющихся клеток (спироцитов и птихоцитов соответственно) предполагает, что эти типы клеток произошли от пирсингового предка. Однако механизмы развития, контролирующие изменчивость морфологии жалящего аппарата, не охарактеризованы. Таким образом, эволюционные факторы, способствующие разнообразию этих необычных типов клеток, остаются невыясненными.