Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №23-74-10005.

Изучение основных механизмов, регулирующих гомеостаз тканей у животных является одной из важнейших фундаментальных проблем биологии развития, физиологии и клеточной биологии. Результаты подобных исследований могут иметь и большое значение для современной медицины и ветеринарии.

Очевидно, генетические программы, поддерживающие целостность тканей, возникли на ранних этапах истории животных и стали предпосылками для дальнейшей эволюции многоклеточных организмов. Чтобы получить всестороннее представление об этих механизмах, об их эволюции и происхождении, необходимо обратиться к их изучению у наиболее древних и просто устроенных животных.

Губки, тип Porifera, являются одной из древнейших эволюционных линий многоклеточных животных. Они обладают уникальной анатомической и гистологической организацией, абсолютно не похожей на организацию других животных. В частности, для губок характерна крайне высокая пластичность тканей: многие клетки в их тканях подвижны и способны к трансдифференцировкам в зависимости от текущих потребностей организма. Эта пластичность тканей обуславливает и выдающиеся регенеративные способности этих животных. Губки способны к восстановлению не только после небольших ранений, но и к полному восстановлению из небольших фрагментов тканей или даже из суспензии отдельных клеток. Последний вариант регенерации известен как реагрегация клеток. В ходе этого процесса происходит полное восстановление интактного организма. Реагрегация клеток является прекрасной моделью для изучения механизмов поддержания тканевого гомеостаза, так как позволяет исследовать их при постепенном восстановлении структуры и функционирования интактных тканей.

Реагрегация клеток губок изучали преимущественно морфологическими методами. За исключением трёх исследований (Vernale et al. 2021; Soubigou et al., 2020; Borisenko et al., 2021), о молекулярных механизмах, лежащих в основе реагрегации, практически ничего не известно.

Целью данного исследования было выявление генетических программ, связанных с восстановлением целостности тканей во время реагрегации диссоциированных клеток у губки из класса Demospongiae – Halisarca dujardinii. Этот вид, как показали предыдущие исследования нашей научной группы, является перспективной моделью для изучения консервативных механизмов поддержания гомеостаза тканей у Metazoa (Borisenko et al., 2021; Melnikov et al., 2022; Melnikov, Lavrov, 2024; Lavrov et al., 2025). В данной работе был использован широкий спектр методов и подходов. С помощью гистологических и ультраструктурных (ТЭМ, СЭМ) методов были проанализированы детали строения многоклеточных агрегатов и регенерирующих губок, что позволило выделить ключевые стадии реагрегации клеток для последующего анализа дифференциальной экспрессии генов (Рис. 1).

Рисунок 1. Морфологические и гистологические изменения во время реагрегации клеток у Halisarca dujardinii. (C–G) Стадии реагрегации H. dujardinii прижизненно. (C’–G’) Схемы, иллюстрирующие структуру многоклеточных агрегатов на соответствующих стадиях реагрегации. (C’’–G’’) Полутонкие срезы многоклеточных агрегатов на соответствующих стадиях реагргеации. (C’’’–G’’’) Поверхности многоклеточных агрегатов на соответствующих стадиях реагрегации (сканирующая электронная микроскопия). ca — каналы; cc — камеры хоаноцитов; dc — дедифференцированные клетки; dcm — дедифференцированная клеточная масса; EAS — примморфы с развивающейся водоносной системой (ранняя стадия); ecm — внеклеточный матрикс; end — эндопинакоциты; ESP — ранние примморфы; ex – экзопинакоциты; mes – мезохил; osc – окулярная трубка; ost – остия; pp – псевдоподия; PMA – первичные многоклеточные агрегаты; RS – полностью восстановившиеся губки; TP – настоящие примморфы. Масштабные линейки: A – 7 мм; B – 50 мкм; C–G – 500 мкм; C00–G00 – 50 мкм; C‴–G‴ – 30 мкм

Для того, чтобы связать экспрессию генов с морфологическими изменениями структуры и состава ткани при восстановлении губки и суспензии клеток было использовано секвенирование суммарной мРНК (bulk mRNA sequencing) на ключевых стадиях процесса. Анализ дифференциальной экспрессии показал, что в процессе реагрегации клеток происходит значительное изменение экспрессии транскриптов, связанных с клеточной адгезией, полярностью клеток, пролиферацией и поддержанием стволовых клеток (Рис. 2A). Эти данные подтверждаются анализом ко-экспрессии генов, который позволил выявить 10 кластеров генов с разными профилями экспрессии. Например, кластеры с ранним повышением экспрессии (кластер 3, 9 и 10) были обогащены генами, связанными с клеточной адгезией, актиновым цитоскелетом и разнообразными сигнальными каскадами. Напротив, кластеры с общим понижением экспрессии (кластеры 6 и 7) были обогащены генами, связанными с клеточной пролиферацией (Рис. 2B, C).

Кроме того, чтобы получить более глубокое представление о природе реагрегации, были детально проанализированы профили экспрессии отдельных транскриптов, связанных с миграцией клеток, клеточной полярностью, клеточной адгезией, пролиферацией клеток и поддержанием стволовых клеток. Ключевые изменения, происходящие при реагрегации клеток H. dujardinii как на морфологическом, так и транскрипционном уровне события представлены на Рис. 3.

Рисунок 2. Анализ дифференциальной экспрессии и ко-экспрессии генов при реагрегации клеток Halisarca dujardinii. (A) Обогащение дифференциально экспрессируемых транскриптов (DET) по Киотской энциклопедии генов и геномов (KEGG) между стадиями реагрегации и интактной тканью. Цвета соответствуют P-значениям теста на повышенную представленность. Нанесенные на график термины выбираются вручную из списка обогащенных терминов. Зелёные стрелки, направленные вверх, обозначают термины, обогащенные среди DET с повышенной экспрессией, пурпурные стрелки, направленные вниз, обозначают термины, обогащенные среди DET с пониженной экспрессией. (B) Обогащения KEGG для кластеров ко-экспрессии. Цвета соответствуют P-значениям теста на повышенную представленность. Показанные термины выбраны вручную из списка обогащенных терминов. Кластеры расположены в соответствии с профилями экспрессии. (C) Тепловая карта масштабированных нормализованных значений количества транскриптов, сгруппированных по их принадлежности к кластеру; каждый столбец представляет образец соответствующей стадии (n = 3 на стадию); кластеры сгруппированы и упорядочены вручную в соответствии с их профилями экспрессии; профили экспрессии показаны рядом с соответствующими кластерами; цифры рядом с кластерами обозначают количество транскриптов, отнесенных к соответствующему кластеру. Профили экспрессии построены в виде масштабированных средних нормализованных количеств отдельных транскриптов (тонкие серые линии), масштабированных средних нормализованных количеств всех транскриптов, принадлежащих кластеру (толстые цветные линии), и интерквартильного размаха масштабированных средних нормализованных количеств транскриптов, принадлежащих кластеру (полупрозрачные цветные области). PMA — первичные многоклеточные агрегаты; ESP — ранние примморфы; TP — настоящие примморфы; EAS — примморфы с развивающейся водоносной системой (ранняя стадия).

Рисунок 3. Ключевые события, происходящие при реагрегации клеток Halisarca dujardinii. (A) основные морфологические и транскрипционные события. (B-D) Изученные генетические программы, участвующие в восстановительном процессе. Дифференциальная экспрессия (или её отсутствие) на A показана относительно экспрессии в интактных тканях. CPN — основная программа плюрипотентности; GMP — программа мультипотентности зародышевой линии; ECM — внеклеточный матрикс; EMT — эпителиально-мезенхимальный переход; TF — фактор транскрипции; PMA — первичные многоклеточные агрегаты; ESP — ранние примморфы; TP — настоящие примморфы; EAS — примморфы с развивающейся водоносной системой (ранняя стадия); RS — полностью восстановившиеся губки.

Использование комбинации детальных морфологических исследований и анализа транскрипционных программ позволили разделить процесс реагрегации клеток губок на две фазы: 1) реагрегация клеток sensu stricto, когда происходит объединение клеток в первичные агрегаты; 2) прогрессивное развитие агрегатов, начинающиеся после формирования непрерывного поверхностного эпителиального слоя клеток на стадии настоящих примморфов (Рис. 3).

Кроме того, удалось показать участие «эпителиальных» генетических программ в мезенхимальных морфогенезах при реагрегации клеток H. dujardinii: хотя по морфологическим данным эпителиальные морфогенезы не выявляются, на ранних стадиях процесса происходит усиление программ, связанных с клеточной адгезией и полярностью клеток (Рис. 3А,С).

Было показано, что эпителиально-мезенхимальные переходы (ЭМП), которыми богат процесс реагрегации клеток H. dujardinii, не находятся под контролем «главных регуляторов» ЭМП (TWIST, ZEB и SNAIL) и демонстрируют необычный профиль экспрессии. Эти результаты говорят в пользу определения ЭМП, в первую очередь, по морфологическим признакам, а не по паттернам экспрессии.

Наконец, было показано транскрипционное разобщение программ поддержания стволовых клеток и клеточной пролиферации в ходе реагрегации клеток H. dujardinii. Многие транскрипты, традиционно связываемые с поддержанием стволовости клеток, демонстрируют повышение экспрессии уже на стадии первичных многоклеточных агрегатов. Это может указывать, что приобретение клетками амебоидной морфологии на этой стадии может отражать их переход к стволовому состоянию. Транскрипты, связанные с пролиферацией клеток, напротив, демонстрируют общее понижение экспрессии в ходе всего процесса. Эти данные поддерживают представление о реагрегации клеток губок как о морфаллактическом восстановительном процессе, который происходит, в первую очередь, за счет пластичности и реорганизации имеющихся клеток.

Таким образом, представленное исследование в очередной раз показало перспективность модели реагрегации клеток у губок для изучения различных аспектов биологии развития, клеточной биологии, тканевой физиологии и регенеративной биологии, сфокусированных на проблемах гомеостаза тканей, соматических стволовых клеток, клеточного цикла, морфогенеза и т.д. В тоже время эта работа выявила ограниченность метода секвенирования суммарной мРНК, так как он выявляет исключительно временные изменения в экспрессии. Поэтому перспективным направлением для будущих исследований является внедрение методов, обеспечивающих визуализацию пространственной структуры экспрессии генов.

Список цитируемой литературы

Borisenko I, Bolshakov FV, Ereskovsky A & Lavrov AI (2021) Expression of Wnt and TGF-beta pathway components during whole-body regeneration from cell aggregates in demosponge Halisarca dujardini. Genes 12, 944. doi: 10.3390/genes12060944

Lavrov AI, Melnikov NP, Bolshakov FV, Saidov DM, Le Goff E, Skorentseva KV, Frolova VS & Ereskovsky AV (2025) Cell proliferation and cell death during whole-body regeneration in the demosponge Halisarca dujardinii. FEBS Lett 599, 1698–1716. doi: 10.1002/1873-3468.70025

Melnikov NP, Skorentseva KV, Ereskovsky AV, Saidova AA & Lavrov AI (2022) Tissue homeostasis in sponges: quantitative analysis of cell proliferation and apoptosis. J Exp Zool B Mol Dev Evol 338,1–22. doi: 10.1002/jez.b.23138

Melnikov NP, Bolshakov FV, Frolova VS, Melnikov NP & Lavrov AI (2024) Cell cycle dynamics of food-entrapping cells of sponges: an experimental approach. FEBS J 291,1–18. doi: 10.1111/febs.17098

Soubigou A, Ross EG, Touhami Y, Chrismas N & Modepalli V (2020) Regeneration in the sponge Sycon ciliatum partly mimics postlarval development. Development 147, dev193714. doi: 10.1242/dev.193714

Vernale A, Prunster MM, Marchiano F, Debost H, Brouilly N, Rocher C, Massey-Harroche D, Renard E, Le Bivic A, Habermann BH et al. (2021) Evolution of mechanisms controlling epithelial morphogenesis across animals: new insights from dissociation-reaggregation experiments in the sponge Oscarella lobularis. BMC Ecol Evol 21, 12. doi: 10.1186/s12862-021-01866-x

Новость подготовили
© Ересковский Александр Вадимович, Доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории эволюции морфогенезов ИБР РАН.
© Лавров Андрей Игоревич, ББС им. Н.А. Перцова, Биологический факультет, Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова
04.02.2026