Как эволюционировали кишечник, кожа и мускулатура? Этот вопрос волнует ученых уже более века. Изучая эмбриональное развитие морских анемонов, очень древней линии животных, исследователи из Венского университета пришли к выводам, которые ставят под сомнение 150-летнюю гипотезу о гомологии (общем эволюционном происхождении) зародышевых слоев, образующих все более поздние органы и ткани.
Согласно гипотезе 150-летней давности, все ткани и органы нашего тела происходят из одного из трех зародышевых листков, формирующихся в ходе раннего эмбриогенеза. Эта «гипотеза зародышевого слоя» утверждает, что кожа и нервная система происходят из внешнего слоя эктодермы, кишечник и некоторые внутренние органы, такие как поджелудочная железа, происходят из внутреннего слоя энтодермы, а мышцы и гонады происходят из среднего слоя, мезодермы. Ранее исследователи отметили фундаментальную разницу в количестве зародышевых листков у разных групп животных.
В то время как большинство животных, таких как люди, насекомые и черви, развиваются из трех зародышевых слоев, книдарии (кораллы, морские анемоны или медузы) не имеют промежуточного слоя и имеют только два слоя клеток во время развития и на протяжении всей жизни. Появление мезодермы как третьего промежуточного зародышевого листка считается ключевым событием в эволюции сложных животных. Однако до сих пор оставалось спорным, как развивалась мезодерма и как два зародышевых листка книдарий связаны с тремя слоями у большинства других животных. Новая публикация лаборатории Ульриха Технау на кафедре молекулярной эволюции и развития Венского университета представляет принципиально новый взгляд на эволюцию зародышевых листков.
Самая внутренняя, формирующая кишечник энтодерма всегда считалась эволюционно связанной между книдариями и другими животными. В своем исследовании Технау и его коллеги проверили эту гипотезу, проследив эмбриональное происхождение клеток, продуцирующих пищеварительные ферменты, а также их гены-регуляторы развития, типичные для кишечника и поджелудочной железы морского анемона. Авторы показывают, что у морских анемонов, вопреки всем прежним представлениям, клетки железы, вырабатывающие пищеварительные ферменты и инсулин, развиваются не из энтодермы, а из эктодермальной части рта, глотки. «Я был озадачен, когда впервые увидел, что все энтодермальные производные морских анемонов полностью лишены клеток пищеварительных желез. Этому не учат в учебниках биологии», - объясняет Патрик Стейнмец, который участвовал в большинстве экспериментов, а сейчас является руководителем группы в Бергенский университет в Норвегии.
Результаты полностью меняют наши представления о происхождении зародышевых листков. Это означает, что «энтодерма» у актиний и позвоночных, хотя они и называются одинаково, на самом деле не связаны эволюционно», - добавляет Ульрих Технау. Если ротовая эктодерма актиний, а не эндодерма соответствует кишечнику и поджелудочной железе позвоночных, Каков коррелят энтодермы морских актиний у позвоночных? Когда Стейнмец и Технау углубились в этот вопрос, они обнаружили сильное сходство между энтодермой книдарий и промежуточным слоем мезодермы: обе имеют большое количество общих регуляторных генов, и оба дают сходные типы клеток, такие как мышечные или гонадные клетки. Таким образом, актиния демонстрирует четкий коррелят с мезодермой, но не в промежуточном положении, как у трехслойных животных. Расположение, а не новое появление ткани между кишечником и кожей таким образом, было ключевым событием, которое привело к эволюции трехслойных животных.
«У подавляющего большинства животных в настоящее время развиваются три зародышевых листка, и мы сделали большой шаг к пониманию одного из самых важных событий, лежащих в основе этой истории эволюционного успеха», - заключает Стейнмец.