Морские звезды могут хранить секрет долгой и счастливой фертильности

Фото из открытых источников

Колючее оранжевое морское существо, обитающее на морском дне и способное выживать до 200 лет, вряд ли послужит очевидным примером для изучения репродуктивной биологии человека. 

Однако новое исследование показало, что яичники морских звезд- летучих мышей и человека имеют удивительно схожую генетику, типы клеток и сигнальные процессы – несмотря на то, что эти две линии разошлись более 500 миллионов лет назад. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Полученные результаты позволяют рассматривать морских звезд как перспективную новую модель для изучения фертильности, развития яйцеклеток и репродуктивного старения, что в конечном итоге может принести пользу медицине.

Исследование возглавил Зак Шварц из Центра Юджина Белла в Морской биологической лаборатории.  Команда Шварца составила карту типов клеток, составляющих яичник морской звезды-летучей мыши, и сравнила их с тем, что известно о биологии яичников человека. 

Исследователи обнаружили общие черты, которые позволяют предположить, что основные особенности функционирования яичников были заложены еще у последнего общего предка этих двух групп животных – задолго до появления позвоночных, не говоря уже о млекопитающих.

Репродуктивный цикл человека и морских звезд едва ли может быть более разным. Человек производит весь свой пожизненный запас яйцеклеток, находясь еще в стадии эмбриона. 

Эти яйцеклетки остаются в состоянии покоя в течение многих лет, постепенно созревают после полового созревания и высвобождаются в ограниченном количестве на протяжении репродуктивного периода жизни, который в конечном итоге заканчивается. Запас истощается, и фертильность снижается.

Морские звезды делают совсем другое. Они могут жить до 200 лет и на протяжении всей своей жизни продолжают производить миллионы новых яиц, выпуская их непосредственно в море для внешнего оплодотворения. 

Изучив генетику и клеточную архитектуру, лежащие в основе этих радикально разных стратегий, команда Шварца обнаружила, что механизмы гораздо больше похожи друг на друга, чем можно было бы предположить, исходя из результатов.

В яичниках человека каждая яйцеклетка окружена поддерживающими клетками, называемыми гранулезными клетками. Эти клетки поддерживают яйцеклетку в состоянии покоя до получения необходимых сигналов, а затем способствуют ее развитию и последующему высвобождению. Было неизвестно, существовали ли у морских звёзд что-либо подобное.

Команда Шварца обнаружила, что яйцеклетки морских звезд летучих мышей также окружены гранулезоподобными поддерживающими клетками, выполняющими ту же основную функцию посредством, по-видимому, схожих клеточных механизмов.

«С эволюционной точки зрения это говорит о том, что этот тип клеток играет фундаментальную роль в размножении», — сказал Шварц.

Это поразительный вывод. Если и морские звезды, и люди обладают такими поддерживающими клетками, и обе линии восходят к общему предку, жившему более полумиллиарда лет назад, то гранулезоподобные клетки, по-видимому, являются древней особенностью биологии яичников.

Команда также обнаружила нечто неожиданное: сеть, по-видимому, взаимосвязанных нейронов во внешних слоях яичника морской звезды. У позвоночных животных размножение регулируется сигналами, передаваемыми из мозга по гормональным путям к репродуктивным органам. 

Но у морских звёзд нет мозга. Так как же они регулируют развитие и высвобождение яиц? Гены, которые экспрессировали эти клетки, похожие на нейроны, дали подсказку.

Группа исследователей выявила сигнальные молекулы, напоминающие нейропептиды, участвующие в коммуникации между мозгом и репродуктивными органами у позвоночных.  По-видимому, сам яичник может обладать встроенной нейроэндокринной системой, способной регулировать свою функцию без участия централизованного головного мозга.

«Существует множество животных, у которых нет мозга, но есть яичники, — сказал Шварц. — Как они регулируют размножение в такой ситуации?» 

Его команда подозревает, что ответ кроется в том, что регуляторная система находится внутри самого яичника. На ранних этапах эволюции животных, до появления мозга, подобная локальная сигнализация, возможно, служила способом контроля размножения.

Пожалуй, наиболее интересным с медицинской точки зрения аспектом яичника морской звезды является то, как он продолжает производить яйцеклетки бесконечно долго.

Команда Шварца обнаружила, как они полагают, стволовые клетки зародышевой линии, расположенные внутри разветвленной, фракталоподобной структуры яичника — клетки, которые, по-видимому, способны непрерывно пополнять запас предшественников яйцеклеток.

У млекопитающих клетки, производящие яйцеклетки, расходуются в этом процессе – клетка-основатель дает начало яйцеклетке и затем истощается. В случае с морскими звездами гипотеза иная: эквивалентные клетки могут быть способны как производить яйцеклетки, так и самообновляться, поддерживая продуктивную способность яичника на протяжении столетий жизни.

«Поскольку морские звезды генетически обладают довольно похожим набором генов, как и мы, люди, — они, должно быть, включают или выключают «те же самые гены совершенно другим способом, который позволяет долгосрочным стволовым клеткам сохраняться», — сказал Шварц.

Понимание того, как именно работают эти генетические переключатели, — это следующий рубеж исследования. Если гены в значительной степени общие, но регулируются по-разному, то выявление изменений в этой регуляции может указать на пути продления или восстановления репродуктивной функции у человека.

Шварц предполагает разработку методов лечения, которые в будущем могут помочь восстановить фертильность или улучшить эффективность терапии с использованием стволовых клеток – на основе знаний, полученных от животного, которое, как предполагалось, никогда не должно было рассказать нам ничего о нас самих.