Блокування програмованої клітинної загибелі призводить до розвитку додаткових функціонально активних нейронів у нюхарній системі. Такі нейрони можуть нести інші рецептори та аксональні проекції, ніж клітини, які розвиваються природним шляхом, а значить, цей механізм може бути основою виникнення нових сигнальних шляхів і еволюції сенсорних систем. Дослідники показали, що нервові клітини, які вижили, отримали нові функції у деяких видів дрозофіл, а також у комарів. Стаття опублікована в журналі.
Еволюція нервової системи часто вимагає залучення нових нейронів: таким чином можна підвищити чутливість сенсорних систем, поліпшити когнітивні здібності, наприклад, обсяг пам'яті або можливості паралельної обробки декількох потоків інформації. Збільшити кількість нейронів можна різними способами. Найочевидніше - ще під час розвитку створити більше клітин-попередників нейронів або змусити їх більше ділитися.
Є й інша можливість нарощувати кількість робочих нервових клітин. Справа в тому, що в процесі розвитку багато нейронів проходять через програмовану клітинну загибель. Відповідно, якщо зупинити цей механізм, більша кількість клітин може вбудуватися в нервову систему. Дійсно, якщо генетично заблокувати клітинну смерть у мишей або дрозофіл, розвивається збільшений, але деформований, мозок. Подібний експеримент проводили і на хробаках, і багато живих клітин диференціювалися в нейрони і навіть компенсували функції віддалених нервових клітин.
У дрозофіл головний нюх - антени, вкриті чутливими волосинами (сенсиллами). Кожна сенсилла формується з однієї клітини-попередника: та дає початок чотирьом клітинам-супутникам і чотирьом сенсорним нейронам. Однак лише небагато волосся мають чотири нюхові нервові клітини, в інших залишається тільки одна або дві, а решта проходять через клітинну загибель.
Люсія Прієто-Годіно (Lucia Prieto-Godino) з Лозаннського університету та її колеги зі Швейцарії, Німеччини та Великобританії вивчили можливості розвитку нових нейронних зв'язків у нюшній системі при блокуванні програмованої клітинної загибелі.
Вчені заблокували гени, які необхідні для програмованої клітинної смерті, у трансгенних тварин або локально за допомогою РНК-інтерференції. Потім вивчили електрофізіологічні характеристики розвинених нейронів, у тому числі їх активність у відповідь на нюшливі стимули. Також оцінили експресію рецепторів у клітинах волосин.
Нейрони промаркували, додавши флуоресцентну мітку до одного з проапоптотичних генів: якщо клітина була приречена на загибель, цей ген експресувався, а разом з ним і білок, що світиться. Так вченим вдалося відстежити аксональні проекції тих, хто вижив при блокуванні програмованої клітинної смерті нейронів.
Дослідники припустили, що виживання нейронів при розвитку антен могло послужити основою еволюційних змін у філогенетичному ряду комах. Щоб перевірити це, порівняли кількість нервових клітин у волосинах на антенах дрозофіл 26 різних видів.
Крім того, вчені помітили, що у комарів є додатковий нейрон волосин на члениках максілл (щелеп) порівняно з дрозофілами. Цей нейрон чутливий до вуглекислого газу, тоді як інші клітини сенсилл такого типу несуть інші рецептори. У дрозофіл клітини, що розпізнають вуглекислий газ, є тільки на антенах, але не на щелепах. Щоб дізнатися, чи могла ця нова властивість з'явитися в результаті налаштування програмованої клітинної загибелі, дослідники заблокували її в максилах дрозофіл і проаналізували склад рецепторів на розвинених нейронах.
В результаті блокування програмованої клітинної смерті кількість нейронів в антенах збільшилася на 200-300 штук, тоді як за оцінками вчених кількість гнучких в процесі розвитку клітин варіюється від 300 до 400. В антенах збільшилася спонтанна електрична активність і збудження у відповідь на нюшливі стимули, кількість рецепторів у волосинах було збільшено порівняно з контролем (а розподіл за типами рецепторів збереглося) - значить, нейрони, що вижили, функціональні.
Аксони нейронів, що вижили, заходили в нюшливу частку мозку дрозофіл і формували там гломерулярні синапси, як і клітини, які розвиваються природним шляхом. Однак клітини з однаковими рецепторами формували контакти не з одним клубочком, як у контрольних тварин, а з різними. Автори роботи роблять висновок, що нейрони, які вижили, можуть служити основою для нових проекцій та еволюції сигнальних шляхів.
У більшості видів дрозофіл кількість нейронів у волосинах одного типу були однаковими, проте в сенсилах типу at1 дев'яти видів мух електрофізіологічно активними виявилися два нейрони замість одного. Одна з цих двох клітин не відповідала на властивий цим волоскам нюх стимул - ймовірно, на ній експресуються додаткові рецептори, які несуть нові сенсорні функції.
При блокуванні клітинної смерті в максилах, на деяких нейронах виявили рецептори до вуглекислого газу, а проекції цих клітин були схожі з такими у комарів. Отже, регуляція програмованої клітинної загибелі цілком могла призвести до еволюційних відмінностей нюшної системи у цих комах.
Незважаючи на уявну простоту, нездоганяна система дрозофіл ефективно аналізує інформацію. Її пристрій навіть надихнув вчених на створення моделі машинного навчання, яка дозволяє шукати схожості об'єктів.