Исследователи изучают, эволюционировали ли нервные клетки, чтобы общаться с микробами

Развивались ли нервные клетки для общения с микробами?
Популяция нейронов в диффузной нервной сети Гидры экспрессирует нейропептиды (зеленого цвета), которые визуализируются с использованием специфических антител. Ядра клеток окрашены в пурпурный цвет. Предоставлено: доктор Александр Климович

Различные заболевания пищеварительного тракта, например, серьезные воспаления кишечника у людей, тесно связаны с нарушениями естественной подвижности кишечника. Какова роль микробиома — т.е. естественное микробное сообщество, колонизирующее пищеварительный тракт — играющее в этих ритмичных сокращениях кишечника, также известное как перистальтика, в настоящее время является предметом интенсивных исследований. Особенно неясно, как контролируются сокращения и как клетки нервной системы, которые действуют как кардиостимуляторы, функционируют вместе с микроорганизмами.

Исследовательская группа из группы по клеточной и развивающей биологии в Кильском университете в настоящее время впервые продемонстрировала, используя в качестве примера пресноводный полип Гидра, что филогенетически старые нейроны и бактерии действительно напрямую взаимодействуют друг с другом. Неожиданно они обнаружили, что нервные клетки способны взаимодействовать с микроорганизмами через иммунные рецепторы, то есть в некоторой степени с механизмами иммунной системы.

Исходя из этого, ученые Центра совместных исследований (CRC) 1182 «Происхождение и функция метаорганизмов» сформулировали гипотезу о том, что нервная система не только приняла сенсорные и моторные функции с самого начала эволюции, но также отвечает за общение с микробами. Исследователи из Киля в окрестностях профессора Томаса Боша опубликовали свои результаты сегодня вместе с зарубежными коллегами в журнале Известия Национальной академии наук ( PNAS).

Наблюдения в простой и древней нервной системе

Исследовательская группа изучила простую нервную сеть филогенетически древнего пресноводного полипа Гидры. Эта нервная сеть сходна по функции с так называемой кишечной нервной системой позвоночных, которая контролирует моторику пищеварительного тракта. Исследователи CRC1182 сделали два важных наблюдения. Во-первых, им впервые удалось идентифицировать те клетки нервной системы Гидры, которые отвечают за ритмичные сокращения желудочной полости.

Развивались ли нервные клетки для общения с микробами?
Пресноводный полип Гидра имеет одну из самых простых и эволюционных древних нервных систем. Он состоит из нейронов кардиостимулятора, которые управляют ритмическими спонтанными сокращениями тела полипа. Предоставлено: Александр Климович

Ключом к этому открытию стало тесное сотрудничество с исследовательской группой в области медицины человека во главе с профессором Мауро д’Амато из Университета Монаш в Мельбурне, Австралия. В высокопроизводительном исследовании, в котором были взяты образцы материалов от пациентов, страдающих синдромом раздраженного кишечника (СРК), австралийские исследователи обнаружили гены, которые могут быть ответственны за нарушения перистальтики кишечника у людей. Исходя из этого, исследовательская группа Томаса Боша исследовала Hydra на наличие клеток, в которых эти гены активны. Удивительно, но исследователи из Киля обнаружили их в небольшой группе нервных клеток этой древней нервной системы.

Когда они блокировали активность этих генов в Hydra, это сразу же привело к резкому сокращению ритмичных сокращений тела. Таким образом, ученые из Кильского университета смогли доказать, что это действительно клетки кардиостимулятора, которые контролируют перистальтику. Поскольку гены были первоначально обнаружены в человеческих образцах пациентов с СРК, исследователи из Киля подозревают, что эти нейроны являются центральными контрольными единицами, возникшими на ранних этапах эволюции животных для регулирования сложных функций организма.

Кроме того, исследование, проведенное исследовательской группой в Киле, также дало второй, не менее удивительный результат. Детальный молекулярно-генетический анализ отдельных нервных клеток Гидры показал, что они оказывают непосредственное влияние на плотность и состав симбиотических бактерий, используя инструменты врожденной иммунной системы. Уже было известно, что отсутствие или нарушение микробиома оказывает существенное влияние на частоту и регулярность сокращений. Новое исследование теперь проясняет, что это филогенетически древняя регуляторная система, в которой двунаправленная связь между определенными нейронами и симбиотическими бактериями играет центральную роль.

«Наши наблюдения показывают, что нервные клетки способны воспринимать микроорганизмы и реагировать на них, — объясняет д-р Александр Климович, ученый из группы клеточной и развивающей биологии и член CRC 1182.» Для этого нейроны используют рецепторы, которые обнаружены у других животных в клетках иммунной системы «, — продолжает первый автор исследования. Активированные клетки кардиостимулятора затем высвобождают определенные молекулы, такие как антимикробные пептиды, которые, в свою очередь, оказывают сильное влияние на присутствие или отсутствие специфических микробов.

В последующих исследованиях исследовательская группа в Киле сравнила молекулярный инструментарий нейронов кардиостимулятора у мышей и нематод с ситуацией, обнаруженной в Hydra. Они обнаружили, что связь клеток кардиостимулятора и микробов может происходить и в других организмах. Более детальный анализ показал, что, например, клетки кардиостимулятора в кишечнике мыши также обладают иммунными рецепторами, которые связываются с микроорганизмами аналогичным образом.

«Поэтому мы предполагаем, что связь между нейронами и микробами через иммунные рецепторы является эволюционно высоко консервативным фундаментальным принципом», — подчеркивает Климович. «Вполне возможно, что эта связь между нервной системой и микробиомом впервые возникла в гидрах около 650 миллионов лет назад», — говорит Климович.


Развивались ли нервные клетки для общения с микробами?
Один нейрон кардиостимулятора в Hydra визуализируется с использованием антител против специфического ионного канала кардиостимулятора Hydra (зеленого цвета). Ядра клеток показаны синим цветом, мышечные волокна эпителиальных клеток окрашены в пурпурный цвет. Кредит: А.-С. Мэтт, доктор Александр Климович

Новая гипотеза

Таким образом, результаты исследовательской группы в Киле дают убедительные доказательства того, что появление нервной системы было тесно связано с симбиотическими микроорганизмами с самого начала. «Возможно, нам придется переосмыслить эволюцию иммунной и нервной систем, — подчеркивает Босх, руководитель группы клеточной и развивающей биологии Киля и представитель CRC 1182, — исследования на Hydra показывают, что даже самые древние эволюционные нервные системы взаимодействовали с микроорганизмы. Вполне возможно, что нервные клетки эволюционировали, чтобы обеспечить связь с микробами, которые так важны для организма «, — продолжает Босх.

Если эта гипотеза верна, она также открывает совершенно новые перспективы развития и будущего лечения кишечных заболеваний человека, вызванных нарушением подвижности кишечника. Это связано с тем, что корреляция между состоянием микробиома и нарушениями перистальтики кишечника, вероятно, существует и у людей. «Поэтому в будущем мы также должны учитывать роль нервных клеток в развитии и лечении воспалительных заболеваний кишечника», — предполагает Босх. Чем лучше исследователи понимают свою причастность к развитию заболевания, тем ближе терапевтические вмешательства в микробиоме, которые могут обеспечить здоровую моторику кишечника и, следовательно, лечение хронических кишечных заболеваний.

Spread the love