Биологи проследили происхождение суставов до наших похожих на акул предков

Фото из открытых источников

Если спросить пожилого человека, где болит при артрите, и большинство из них укажут на его суставы — колени, бедра и пальцы. Это потому, что с возрастом эти суставы теряют хрящ и вязкую жидкость, известную как синовиальная жидкость, которая поддерживает их эластичность. У акул и скатов нет костей – и нет артрита – но, очевидно, у них такие же суставы, как и у нас. Раньше считалось, что эти так называемые синовиальные суставы существуют только у костных позвоночных, но на самом деле эти так называемые синовиальные суставы развились у гораздо более древнего предка хрящевых и костных рыб, сообщили исследователи в препринте bioRxiv.

Исследование расширяет эволюционную историю суставов. Поскольку многие водные существа способны регенерировать поврежденные суставы, изучение их эволюции может привести к улучшению лечения артрита и других проблем с суставами у людей, говорит автор исследования Нил Шубин, биолог-эволюционист из Чикагского университета.

Наше тело зависит от нескольких видов суставов. Швы, как и в черепе, у взрослых не двигаются, а хрящевые суставы, например, те, которые соединяют ребра с грудиной, имеют тенденцию иметь очень ограниченную подвижность. Но большинство межкостных соединений у человека представляют собой синовиальные суставы, где заполненная жидкостью полость соединяет прилегающие кости, а хрящ обеспечивает максимальную и плавную маневренность. Эволюция таких суставов стала «огромным нововведением» в истории позвоночных.

Эволюционная история синовиальных суставов долгое время сбивала с толку биологов. В 1940-х годах анатомы нашли доказательства того, что они существовали у взрослых акул, которые появились около 450 миллионов лет назад. Но в последующие десятилетия в учебниках утверждалось, что эти заполненные жидкостью суставы возникли у наземных животных примерно 50 миллионов лет спустя, чтобы помочь четвероногим животным ходить по суше. В конце концов, суставы позволили развить различные стратегии передвижения и питания, включая способность человека ходить на двух ногах.

Это было общепризнанным мнением до 2016 года, когда Крамп и его коллеги обнаружили генетические доказательства того, что костистые рыбы, появившиеся около 410 миллионов лет назад, также имеют такие суставы. По словам ученых, смазывающих белков в изобилии было в челюстях рыб и плавниках данио, амаранта и колюшки. С тех пор большинство биологов вернулись к мнению, что синовиальные суставы действительно возникли в водной среде.

Когда два года назад в лабораторию Шубина пришла научный сотрудник Нилима Шарма, она решила узнать больше. Итак, она искала эти суставы у трех животных, которые, как считается, представляют собой более ранних эволюционировавших позвоночных: маленького ската (Leucoraja erinacea) и бамбуковой акулы (Chiloscyllium plagiosum) — обе хрящевые рыбы с челюстями — и морской миноги (Petromyzon marinus), которая также является состоит из хряща, но лишен челюсти. Она и еще один постдок Шубина, Яра Хариди, провели микрокомпьютерную томографию маленьких эмбрионов скатов в возрасте 20, 28 и более 30 недель. Они также проанализировали активность генов эмбрионов во время этих окон развития. Затем они провели аналогичный анализ на молодых акулах и миногах.

У коньков нет конечностей, поэтому они изучили развитие челюсти и таза животных, развитие которых отражает развитие коленных и локтевых суставов у позвоночных, объясняет Шарма. Исследователи обнаружили, что эмбриональная челюсть и таз скатов изначально представляли собой отдельные стойки, которые распались на части, образуя сустав, разделенный полостью. Разрыв стимулировался мышечными сокращениями и сопровождался присутствием специфических сигнальных белков, называемых фактором дифференциации роста-5 и бета-катенином. Когда исследователи обработали эмбрионы химическим веществом, которое парализовало развивающиеся мышцы, будущие структуры челюсти и таза так и не сломались, а суставы не смогли сформироваться.

Хотя суставы коньков соединяют хрящи, а не кости, в них экспрессируется тот же набор генов, что и в их костных аналогах, что приводит к выработке смазочных и гидратирующих молекул, таких как гиалуроновая кислота, аггрекан и лубрицин. «Это те же молекулы, которые используются при лечении остеоартрита, глазных каплях и смягчающей кожу косметике», — объясняет Шарма.

Напротив, в развивающемся скелете миноги такие полости не образовывались. Это говорит о том, что эти суставы возникли синхронно с эволюцией челюстей. При этом гены, обнаруженные активными только в суставах ската, а у других позвоночных были активны по всему телу миноги. «Молекулярные кусочки, необходимые для создания суставов, находились в миноги», — говорит Медейрос. «Но на самом деле это был вопрос их реорганизации и перепрофилирования».

Поскольку предки этих хрящевых существ предшествовали эволюции костей, кажется очевидным, что эволюция суставов не имела ничего общего с адаптациями, связанными с наличием костного скелета, говорит Маурицио Пацифичи, биолог развития из Детской больницы Филадельфии. Вместо этого, утверждает он, развитие этих суставов было обусловлено физическими потребностями мобильного морского охотника. Медейрос соглашается: «Акулий хрящ очень хрустящий, поэтому можно ожидать, что им потребуются суставы». Напротив, по его словам, хрящи миноги мягкие и гибкие, как будто их скелет «представляет собой один большой сустав».

Пасифичи говорит, что тот факт, что скаты используют те же молекулярные инструкции для построения суставов, что и птицы и млекопитающие, является «ярким примером того, как эволюция сохраняет и использует работоспособные механизмы». «Узнав больше о суставах коньков, однажды мы сможем понять, что такое артрит и другие заболевания суставов у людей и других млекопитающих», — говорит Шубин. «Чем больше мы узнаем об этих существах, тем больше мы сможем открыть новые способы стимулирования заживления ран в суставах человека».