Открытие того, что форма головы не закреплена в геноме, но может быть изменена путем манипулирования электрическими синапсами в организме, предполагает, что различия между видами могут частично определяться активностью биоэлектрических сетей. Это открытие может помочь улучшить понимание врожденных дефектов и регенерации, открыв новый путь контроля формирования сложных паттернов. Давно известно, что нейронные сети используют биоэлектрические синапсы для хранения и перезаписи информации в мозгу.
Результаты подробно описаны в обложке ноябрьского номера журнала International Journal of Molecular Sciences за 2015 год, который был опубликован в Интернете 24 ноября.«Принято считать, что последовательность и структура хроматина — материала, из которого состоят хромосомы, — определяют форму организма, но эти результаты показывают, что функция физиологических сетей может преобладать над анатомией по умолчанию для конкретных видов», — говорит старший автор статьи и автор-корреспондент Майкл Левин, доктор философии, заведующий кафедрой биологии Ванневара Буша и руководящий Центром регенеративной биологии и биологии развития в Школе искусств и наук в Тафтсе. «Модулируя связь клеток с помощью электрических синапсов, мы смогли получить морфологию головы и паттерны мозга, принадлежащие совершенно другому виду животных с нормальным геномом».«Знание того, как определяется форма и как на нее влиять, важно, потому что биологи могут использовать эти знания, например, для исправления врожденных дефектов или стимулирования роста новых биологических структур после травмы», — добавляет Левин. «Эти результаты поднимают важные вопросы о том, как гены и биоэлектрические сети взаимодействуют для создания сложных структур тела», — говорит он.Работая с Girardia dorotocephala — свободноживущими плоскими червями планарий, которые обладают замечательной регенеративной способностью, — исследователи смогли вызвать развитие различных видов головы, разрывая щелевые соединения, которые представляют собой белковые каналы, которые позволяют клеткам общаться друг с другом. передавая электрические сигналы вперед и назад.
Изменения были более чем поверхностными; они включали не только общую форму головы, но также форму мозга и распределение взрослых стволовых клеток червя.Легкость, с которой конкретная форма могла быть получена от червя G. dorotocephala, была пропорциональна близости целевого червя на временной шкале эволюции.
Чем ближе были родственники двух видов, тем легче было произвести изменения. Это наблюдение усиливает связь с историей эволюции, предполагая, что модуляция физиологических контуров может быть еще одним инструментом, используемым эволюцией для изменения планов тела животных.Однако, в отличие от предыдущей работы лаборатории Левина, в которой другой вид планарий мог быть навсегда изменен до двуглавой морфологии, это изменение формы было только временным. Спустя несколько недель после того, как планария завершила регенерацию до формы головы другого вида, черви снова начали реконструкцию и вновь приобрели свою первоначальную морфологию головы.
Требуются дополнительные исследования, чтобы определить, как это происходит. Авторы также представили вычислительную модель, которая объясняет, как изменения в межклеточной коммуникации могут приводить к появлению различных типов форм.
Первым автором статьи была студентка Тафтса Майя Эммонс-Белл, специализирующаяся на биологии. «Мы продемонстрировали, что электрические связи между клетками предоставляют важную информацию для видоспецифического паттерна головы во время регенерации у плоских червей планарий», — говорит она. «Такая информация будет иметь решающее значение для достижений в регенеративной медицине, а также для лучшего понимания эволюционной биологии. Я был студентом, проводя важные исследования с ведущими биологами».
В междисциплинарном исследовании участвовали биологи из США и Канады, а также европейские математики.