Одной из тенденций современной эволюционной биологии развития является расширение спектра как экспериментальных, так и модельных объектов. Классические «модельные» организмы (такие как мышь, дрозофила, нематода и т. д.) внесли огромный вклад в знания в области биологии, но представляют собой лишь малую часть разнообразия организмов. Морские животные чрезвычайно разнообразны с точки зрения морфологии, физиологии, биологии развития и охватывают широкий спектр таксонов. Поэтому они могут внести ценный вклад в исследования, как биологических процессов, так и эволюционных проблем.

Губки (тип Porifera) занимают базальное положение на филогенетическом древе многоклеточных животных, соответственно, они могут дать ключи к пониманию особенностей, присущих последнему общему предку Metazoa, к пониманию ранней эволюции планов строения тела животных, включая эволюцию типов клеток, осей тела и основных генов-регуляторов, участвующих в этих процессах.

Среди губок представители класса Homoscleromorpha представляют особый интерес для изучения эволюции эпителия и эпителиальных морфогенетических процессов из-за гистологического сходства между их эпителием и эпителием Bilateria с явным наличием адгезивных межклеточных контактов и базальной мембраны, включающей коллаген IV типа.

Средиземноморский представитель этого класса, вид Oscarella lobularis (Schmidt, 1862), является одним из наиболее всесторонне исследованных видов губок и уже предлагался как перспективная модель биологии развития (Ereskovsky et al. 2009 ; Renard et al. 2021). Жизненный цикл губок этого вида включает как половое, так и бесполое размножение в виде почкования (Ereskovsky and Tokina 2007).

В представленной статье, в качестве новой модели для клеточной биологии и биологии развития предлагаются именно развивающиеся почки O. lobularis. Большой коллектив авторов изучил различные аспекты строения, развития и функционирования почек, используя широкий спектр методов и подходов. В данной работе, в частности описывается техника запуска почкования in vitro и отслеживается развитие почек от начала их формирования до стадии ювенильной губки. Авторы также показывают высокие способности почек к регенерации и реагрегации из диссоциированных клеток. В целом, природные свойства почек O. lobularis и технические инструменты, которые разработаны данным коллективом исследователей, делают их новой, удобной и подходящей биологической системой для получения информации о молекулярных и клеточных процессах, происходящих во время соматического морфогенеза губки.

Чтобы получить почки, губку нарезают на небольшие кусочки, каждый из которых производит многочисленные почки. Для удобства исследования in vitro, процесс почкования O. lobularis разделен на 3 стадии (рис. 1А). Само развитие почки разделено на 4 стадии (рис. 2А). От начала формирования почки до ее отделения от материнской губки и развития оскулярной трубки проходит от 8 до 29 дней (рис. 1 В). Фрагмент взрослой губки объемом 1 см3 дает в среднем 450 почек (рис. 1С), диаметр которых варьируется от 1 до 2,5 мм. Помимо большого количества почек, полученных в ходе этого процесса, их прозрачность делает их удобной системой для различных прижизненных экспериментов.

Сам механизм почкования очень похож на почкование Гидры и представляет собой эвагинацию стенки тела, включающую все слои, структуры и типы клеток материнской губки.

В статье представлено детальное описание всех типов клеток почки. Также описаны клеточная динамика в ходе развития и роста почки. Пролиферация клеток в почках отмечена всего у 1% клеток, при этом, как и у губок из других классов (Melnikov et al. 2022), наиболее активно делящимися клетками являются хоаноциты. Вклад апоптоза в почкование совершенно незначителен, а апоптотические клетки отмечены в основном. в мезохиле.

Показано, что свободные почки также демонстрируют ритмичные сокращения, которые кажутся синхронизированными между почками и взрослыми губками, от которых они происходят. Имея развитую водоносную систему, почки фильтруют воду, обеспечивая себя питанием и кислородом. Количественными методами показано, что почки не только метаболически активны, но и расходуют больше энергии, чем взрослые особи.

Почки проявляют высокие восстановительные способности. После разрезания пополам все базальные и апикальные половинки почек выживают и завершают заживление раны в течение 24 ч. Менее чем через 96 ч после разрезания, почка восстанавливает все недостающие структуры. После диссоциации почки на клетки, в течении 48 ч развиваются эпителизированные примморфы.

Итак, эмбриональное и постэмбриональное развитие, жизненный цикл, регенерация и гистология гомосклероморфной губки O. lobularis хорошо описаны. Более того, сборка ее генома на уровне хромосом доступна (биопроект PRJEB57964), также имеется аннотированный транскриптом (Vernale et al. 2021). Ведется работа по сборке полного генома губки.

Почки, полученные от O. lobularis, многочисленны и их легко поддерживать в течение нескольких месяцев в лаборатории в искусственной и натуральной морской воде. Таким образом, эти объекты дают возможность проводить широкий спектр анализов на большом количестве генетически идентичных особей. Почки очень малы, что делает возможной инкубацию их в малых объемах (100 мкл). Это выгодно и удобно при использовании дорогих или токсичных реагентов (De Pao Mendonca et al. 2024). Прозрачность почек позволила авторам статьи разработать различные методы флуоресцентного окрашивания как на фиксированных, так и на живых образцах (Borchiellini et al. 2021; Vernale et al. 2021). Что представляет собой значительный шаг вперед для оценки динамики клеток во время различных морфогенетических процессов развития или регенерации.

Однако, как и всякая модель, почки Oscarella lobularis имеют недостатки. К ним можно отнести: невозможность пересылки живого материала в другие удаленные лаборатории, а также невозможность изучать такие процессы, как детерминация пола, гаметогенез и эмбриогенез.

Рис. 1. Стадии развития почек и кинетика почкования. (A) фрагменты и почки Oscarella lobularis in vivo; Step 0: гладкая поверхность свежего фрагмента губки; Step 1: поверхность становится неровной; Step 2: поверхность покрыта пальцевидными выростами; Step 3: разбухание выростов приводит к образованию почек, которые впоследствии высвобождаются. Шкала: 1mm. (B) Кинетика почкования, которое начинается на 6 день после вырезания фрагментов губки и достигает своего пика между 13 и 16 днями после начала почкования (красная линия). Продукция почек коррелирует с долей фрагментов губок, достигших третьей стадии почкования (синяя линия). (C) Ежедневный прирост количества новых почек на фрагмент губки.

Рис. 2. Развитие почек. (A) Схематическое изображение разных стадий развития почки. (B) Stage 1: сферическая только что отделившаяся почка. (C) Stage 2: почка с отростками (голубые стрелки), лишенными хоаноцитных камер и с дистальными крупными клетками (розовые стрелки). (D) Stage 3: почка с оскулярной трубкой (желтые стрелки) и наружными выростами (голубые стрелки), собранными на противоположном (будущем базальном) полюсе. (E) Stage 4/juvenile: ювенильная губка, развившаяся из почки. Она прикрепляется к субстрату благодаря секреции базопинакоцитов. Ювенил имеет редуцированную центральную полость. Шкала: 200µm (первая колонка), 100µm (средняя колонка), 20µm (zoom). Ap: apopyle; Cc: choanocyte chamber; Ec: exhalant canal; Enp: endopinacoderm; Exp: exopinacoderm; Ic: inhalant canal; Inc: Internal cavity; M: mesohyl; Osc: osculum; Os: ostium.

Новость подготовил
© Ересковский А.В.
01.11.2024