Везикулы хоанофлагеллят, как и синаптические везикулы в нейронах, распределены внутри клетки полярно
Некоторые структуры, типичные для нервной системы, возникли еще у одноклеточных организмов, у которых никаких систем клеток и органов быть не могло. Синаптические везикулы — мембранные пузырьки с веществами-переносчиками сигналов — здесь не исключение. Выяснилось, что уже у хоанофлагеллят, ближайших родственников животных, есть несколько типов везикул, и они концентрируются в двух противоположных частях клетки. У животных подобная поляризация встречается в клетках в составе специализированного нервного контакта — химического синапса.
Организму, состоящему из множества клеток, нужно уметь управлять этими клетками, координировать их действия. Животные используют один из мощнейших природных инструментов управления — нервную систему. Клетки в ее составе посылают сигналы другим компонентам организма, чтобы те запустили в себе какие-то процессы, остановили уже идущие или изменили их интенсивность.
Нервные клетки (нейроны) могут передавать химические сигналы двумя способами (см. L. Agnati et al., 1995. Volume versus wiring transmission in the brain: A new theoretical frame for neuropsychopharmacology). При «объемной передаче» (volume transmission) вещества-переносчики сигнала (медиаторы) проходят через мембрану клетки в любом месте, оказываются в межклеточном пространстве и действуют на те клетки, до которых «доплывут» и которые способны воспринять соответствующий сигнал. «Адресная передача» (wiring transmission) более локализованная. В этом случае медиаторы внутри клетки упаковываются в мембранные пузырьки — синаптические везикулы и с их помощью выходят наружу через специализированный межклеточный контакт — синапс (химический; есть еще электрический, но о нем тут речи не идет). Если медиатор выходит за пределы синапса и действует там, это уже считается объемной передачей.
Объемная передача хорошо действует на небольших расстояниях, но не может обеспечить быструю координацию удаленных друг от друга клеток. Зато для этого подходит адресная синаптическая передача: клетки способны создавать отростки длиной в сантиметры или даже десятки сантиметров, дотягиваться ими практически до любых частей тела и выделять медиаторы только туда, где это необходимо. Такие отростки обычно изолированы специальными клетками, поэтому сигнал не теряется по пути и не смешивается с другими.
«Образцовый», идеализированный химический синапс — это участки мембран двух клеток (передающей сигнал и его принимающей), разделенные небольшим межклеточным пространством (рис. 1). Подающая сигнал клетка называется пресинаптической (часть этой клетки, непосредственно входящую в состав синапса, еще можно коротко назвать пресинапсом), принимающая клетка — постсинаптической (ее фрагмент в составе синапса можно назвать «постсинапсом»). Пространство между ними — синаптическая щель.
Пресинапс и постсинапс различаются не только по функциям, но и по структуре. К пресинаптической мембране изнутри клетки подходят везикулы с медиаторами, а в постсинаптическую мембрану встроены рецепторы, способные с этими медиаторами связаться. Эти рецепторы, некоторые сигнальные молекулы и белки, служащие связующими звеньями между веществами первых двух типов, вместе образуют постсинаптическое утолщение (см. Postsynaptic density).
Как и у кого возникли первые синапсы, не известно. Но есть данные, что отдельные вещества и структуры, характерные для химического синапса, появились задолго до нервных систем, нервных клеток и даже самой многоклеточности. У ближайших родственников животных, хоанофлагеллят (воротничковых жгутиконосцев), обнаружили белки, гомологичные компонентам постсинаптического утолщения (см. A. Alié, M. Manuel, 2010. The backbone of the post-synaptic density originated in a unicellular ancestor of choanoflagellates and metazoans). В том же исследовании их наличие показали и у трихоплакса — примитивного животного без нервной системы. Вероятно, эти вещества были еще у общего предка хоанофлагеллят и животных.
Воротничковые жгутиконосцы (хоанофлагелляты) получили свое название за структуру из микроворсинок, которая как воротник окружает единственный жгутик клетки. Клетки хоанофлагеллят по строению очень похожи на хоаноциты — основной тип клеток в составе губок, одних из самых древних животных. Скорее всего, общий предок животных был похож на воротничкового жгутиконосца (но это не означает, что животные произошли от хоанофлагеллят). О воротничковых жгутиконосцах, губках и происхождении многоклеточности можно подробнее почитать в новостях Расшифрован геном хоанофлагеллят — ближайших одноклеточных родичей всех многоклеточных животных, «Элементы», 18.02.2008; «Первичность губок» опережает по очкам «первичность гребневиков», «Элементы», 12.11.2019.
А что насчет компонентов пресинапса, например, везикул с медиаторами? Среди воротничковых жгутиконосцев есть колониальные формы (см., например, Колонии нового вида воротничковых жгутиконосцев в темноте выворачиваются наизнанку, «Элементы», 22.10.2019), им вполне могло бы пригодиться умение выделять сигнальные вещества для координации действий клеток в составе колонии. Конечно, кое-чего можно достичь и без везикул, только за счет диффузии нужных веществ через мембрану, но ничто не запрещает использовать оба способа.
Структуры, типичные для пресинапса, у хоанофлагеллят тоже отыскались. В геномах одноклеточного Monosiga brevicollis и чередующего одноклеточность с колониальностью Salpingoeca rosetta обнаружили гены белков, гомологичных тем, которые у млекопитающих встроены в мембраны синаптических пузырьков. Сами везикулы видны на электронных микрофотографиях клеток хоанофлагеллят (см. P. Burkhardt et al., 2011. Primordial neurosecretory apparatus identified in the choanoflagellate Monosiga brevicollis). Правда, пока неизвестно, какие сигнальные вещества в них содержатся, как и когда эти везикулы их выделяют, какое действие они оказывают. Ну и конечно, наличие белков как в постсинаптическом утолщении, и синаптических везикул еще не означает, что у хоанофлагеллят и тем более у их общих предков с животными были синапсы.
В любом случае, воротничковые жгутиконосцы — неплохой источник информации о том, как когда-то эволюционировала коммуникация между клетками. Кроме белков, гомологичных белкам пресинаптической и постсинаптической мембран млекопитающих, у Salpingoeca rosetta есть межклеточные контакты трех типов, а колонии-розетки состоят из клеток пяти вариантов форм и размеров (см. B. Naumann, P. Burkhardt, 2019. Spatial Cell Disparity in the Colonial Choanoflagellate Salpingoeca rosetta и рис. 2).
Один из ведущих специалистов по эволюции везикул, в работах которого часто фигурируют хоанофлагелляты, Павел Буркхардт (Pawel Burkhardt) из Бергенского университета вместе с коллегами из нескольких европейских и американских институтов уточнил, из чего состоят и как распределяются по клетке везикулы воротничковых жгутиконосцев. Работа состояла из двух частей: 1) сравнить белки хоанофлагеллят, гомологичные белкам синаптических пузырьков млекопитающих, с соответствующими белками других организмов; 2) определить с помощью электронной микроскопии размеры и форму везикул хоанофлагеллят и посмотреть, в каких частях клеток они концентрируются.
В качестве модельных хоанофлагеллят выступили два вида — Monosiga brevicollis и Salpingoeca rosetta. Их геномы прочитаны и расшифрованы, и известно, какие белки способны производить их клетки. Исследователи определили, какие гомологи 28 белков везикул млекопитающих есть у воротничковых жгутиконосцев, и сравнили их с белками животных — человека, рыбы данио-рерио, мухи дрозофилы, морского ежа Strongylocentrotus, полипа Nematostella, гребневика Mnemiopsis, а также таких, у которых нервных систем нет (трихоплакса и губки Amphimedon queenslandica). Также в сравнение вошли представители других групп эукариот, близких хоанофлагеллятам и животным: три вида грибов (дрожжи Saccharomyces и два других) и один вид филастерей (группы одноклеточных, родственных всем перечисленным, см. Filasterea).
Везикулярные белки и их гомологи авторы разделили на группы по функциям (рис. 3): одни отвечают за транспорт сигнальных веществ внутрь мембранных пузырьков, другие — за использование АТФ, третьи — за слияние с мембраной клетки или выброс нейромедиатора, и так далее. У хоанофлагеллят, филастерей и грибов отыскались гомологи 61% везикулярных белков человека, и только 39% белковых составляющих синаптических мембранных пузырьков оказались уникальным приобретением животных.
У обоих хоанофлагеллят нашли синаптобревин, правда, только одну его разновидность, в то время как у человека их две. Этот белок вместе с некоторыми другими образует комплекс, который позволяет синаптической везикуле слиться с клеточной мембраной. Его решили использовать как маркер наличия везикул в дальнейших микроскопических исследованиях: создали флуоресцентные антитела к синаптобревину Salpingoeca rosetta и посмотрели, в каких частях клетки этого жгутиконосца проявляется флуоресценция.
Поскольку везикулы в синапсах связаны с элементами цитоскелета, микротрубочками, ученые также проверили, как в клетках S. rosetta друг относительно друга расположены везикулы и микротрубочки. Для этого применили антитела к бета-тубулину — белку в составе микротрубочек. Там, где отмечали флуоресценцию антител и к синаптобревину, и к бета-тубулину, везикулы были ассоциированы с микротрубочками.
Флуоресцентная микроскопия показала, что синаптобревин (а соответственно, и везикулы) у Salpingoeca rosetta скапливается главным образом в районе апикального полюса клетки — того ее конца, где расположены жгутик и воротничок из микроворсинок. Некоторое количество мембранных пузырьков с синаптобревином наблюдали и на противоположном полюсе клетки — базальном. Везикулы на обоих полюсах связаны с микротрубочками, а значит, организованно перемещаются по клетке. Получается, что клетки хоанофлагеллят в плане расположения везикул поляризованы, как и нейроны и многие другие типы клеток животных.
Далее исследователи по снимкам клеток, полученным с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ), определяли форму и размеры везикул, а также их расположение относительно других органелл в клетках Salpingoeca rosetta и Monosiga brevicollis. Серии срезов толщиной по 70 нанометров каждый изучили на предмет наличия мембранных пузырьков и построили трехмерные модели везикул. Их вписали в контуры клеток соответствующих организмов.
Выяснилось, что мембранные пузырьки с синаптобревином у хоанофлагеллят можно разделить по размеру и внешнему виду на ТЭМ-снимках на шесть групп (рис. 4). Четыре из них встретились у обоих видов, по одному — только у одного из двух видов.
Авторы приводят техническое описание каждой группы везикул, сравнивают их количество у двух видов, но не указывают, для чего могла бы использоваться та или иная из них. Что интересно, в местах контакта клеток в колонии S. rosetta скоплений везикул не нашли. Это означает, что эти мембранные пузырьки вряд ли нужны для химической коммуникации между клетками.
Также неизвестно, что за сигнальные вещества содержатся в этих мембранных пузырьках, хотя некоторые предположения авторы выдвигают. Поскольку апикальный полюс у хоанофлагеллят — место, где в клетку обычно поступают питательные вещества, есть вероятность, что везикулы рядом с ним содержат пищеварительные ферменты. Базальными полюсами клетки S. rosetta в составе колонии-розетки приближены друг к другу, так что везикулы в районе этих полюсов могут содержать компоненты внеклеточного матрикса — каркаса для удержания клеток вместе.
Получается, что некоторые структуры и свойства нейронов и синапсов — везикулы и поляризация их расположения, белки, гомологичные белкам постсинаптического утолщения, — у воротничковых жгутиконосцев есть, но синапсов нет. Впрочем, это не должно мешать их клеткам осуществлять объемную передачу сигнала, однако ее детали нам пока неизвестны.
Буркхардт и коллеги предлагают последовательность событий, по которой везикулы и отростки клеток могли соединиться физически и функционально и сформировать химические синапсы. У хоанофлагеллят, как мы теперь знаем, есть разные типы везикул, и они, связываясь с микротрубочками, транспортируются от одного полюса клетки к другому. Есть и специализированные отростки, которые у колониальных становятся межклеточными контактами, но с везикулами они никак не связаны. То же самое, вероятно, наблюдалось и у древних видов воротничковых жгутиконосцев, и у их общего предка с животными.
Где-то близко к основанию ствола животных, пишут авторы, находился колониальный организм, у которого мембранные пузырьки перераспределились внутри клеток и попали в места контактов. При этом в каждом контакте возникло разделение труда: одни клетки выступали источниками химических сигналов, то есть «пресинаптическими», другие — приемниками сигналов, то есть «постсинаптическими». У более продвинутых животных, уже облигатно (обязательно) многоклеточных и имеющих подобие эпителия (в этом типе тканей клетки тоже имеют неодинаковые полюса), эти механизмы и структуры закрепились и получили дальнейшее развитие. То же можно сказать и об их потомках, в том числе тех, у которых нейронов в строгом смысле слова нет — губок. У гребневиков много синапсов, в которых контактируют не какие-то специальные отростки клеток, а сами их тела (сомы). Впрочем, такое встречается и у других животных. Описанная схема в графическом виде представлена на рис. 5.
Маловероятно, чтобы химические синапсы возникли всего один раз. Скорее всего, они, как и сами нейроны, и целые нервные системы, появлялись в эволюции неоднократно. «Смысловые блоки» химического синапса — везикулы с сигнальными веществами, комплексы из элементов цитоскелета в отростках клеток, молекулы межклеточного матрикса для удержания пресинапса и постсинапса рядом, каркасы постсинаптических утолщений, ионные каналы, рецепторы к сигнальным веществам — могли входить в состав каждого нового типа синапсов в разном порядке и разных комбинациях. Об этом говорит крупный специалист по эволюции нервной системы Детлев Арендт (Detlev Arendt) в недавнем обзоре, посвященном происхождению нейронов (см. D. Arendt, 2020. The Evolutionary Assembly of Neuronal Machinery).
Предположения Павла Буркхардта вполне вписываются в эту картину. В его новом исследовании говорится лишь про один компонент синапса (везикулы) и не утверждается категорично, что синапсы появились у какого-то одного животного и дальше уже передались его потомкам. Но, конечно, данным по везикулам хоанофлагеллят, чтобы они углубили наше понимание эволюции синапсов, не хватает очень важной детали — информации о том, какие вещества эти везикулы переносят. Буркхардт, естественно, это понимает и, судя по заключительным словам статьи, через некоторое время предоставит нам эту информацию.
Источник: Ronja Göhde, Benjamin Naumann, Davis Laundon, Cordelia Imig, Kent McDonald, Benjamin H. Cooper, Frédérique Varoqueaux, Dirk Fasshauer and Pawel Burkhardt. Choanoflagellates and the ancestry of neurosecretory vesicles // Philosophical Transactions of the Royal Society B. Biological sciences. 2021. DOI: 10.1098/rstb.2019.0759.
Светлана Ястребова