Международная группа учёных под руководством специалистов из Венского университета открыла новые аспекты эволюции специализированных типов клеток и коммуникационных сетей на границе между матерью и плодом. Эти открытия проливают свет на одно из самых замечательных достижений природы — способность поддерживать успешную беременность. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.
Беременность как эволюционный прорыв
Беременность, достаточная для полноценного развития плода, является знаковым эволюционным достижением плацентарных млекопитающих, к которым относится и человек. В центре этого процесса находится плодово-материнский интерфейс — место в утробе, где плацента плода встречается с маткой матери. Здесь два генетически различных организма — мать и плод — находятся в тесном контакте и постоянном взаимодействии.
Этот интерфейс должен поддерживать хрупкий баланс: достаточно тесный для обмена питательными веществами и сигналами, но защищённый от того, чтобы иммунная система матери не отвергла генетически «чужой» плод.
Методы исследования
Чтобы раскрыть происхождение и механизмы, лежащие в основе этой сложной структуры, команда проанализировала одноклеточные транскриптомы — снимки активных генов в отдельных клетках — у шести видов млекопитающих, представляющих ключевые ветви эволюционного дерева млекопитающих. Среди них были мыши и морские свинки (грызуны), макаки и люди (приматы), а также два более необычных млекопитающих: тенрек (раннее плацентарное млекопитающее) и опоссум (сумчатое животное, которое отделилось от плацентарных млекопитающих до того, как у них развились сложные плаценты).
Результаты исследования
Анализируя клетки плодово-материнского интерфейса, исследователи смогли проследить эволюционное происхождение и диверсификацию ключевых типов клеток. Основное внимание было уделено двум основным игрокам: клеткам плаценты, которые происходят от плода и проникают в материнские ткани, и стромальным клеткам матки, которые имеют материнское происхождение и реагируют на это вторжение.
Используя инструменты молекулярной биологии, команда выявила отчётливые генетические сигнатуры — паттерны активности генов, уникальные для конкретных типов клеток и их специализированных функций. Примечательно, что они обнаружили генетическую сигнатуру, связанную с инвазивным поведением клеток плаценты плода, которая сохраняется у млекопитающих более 100 миллионов лет.
Это открытие опровергает традиционное представление о том, что инвазивные клетки плаценты плода уникальны для человека, и показывает, что это глубоко законсервированная черта эволюции млекопитающих.
Теории эволюции
Для лучшего понимания того, как функционирует плодово-материнский интерфейс, в исследовании были проверены две влиятельные теории об эволюции клеточной коммуникации между матерью и плодом:
1. Гипотеза устранения неоднозначности предполагает, что с течением эволюции гормональные сигналы стали чётко разделены между плодом и матерью — возможная гарантия ясности и предотвращения манипуляций. Результаты подтвердили эту идею: определённые сигналы, включая белки WNT, иммуномодуляторы и стероидные гормоны, можно было чётко проследить до одной ткани-источника.
2. Гипотеза эскалации (или «геномный конфликт») предполагает эволюционную гонку вооружений между материнскими и плодными генами — например, плод усиливает сигналы роста, в то время как материнская сторона пытается их ослабить. Эта закономерность наблюдалась в небольшом числе генов, особенно в IGF2, который регулирует рост. В целом данные указывали на тонко настроенную совместную передачу сигналов.
«Эти результаты позволяют предположить, что эволюция, возможно, способствовала большей координации между матерью и плодом, чем предполагалось ранее», — говорит Даниэль Дж. Штадтмауэр, ведущий автор исследования и исследователь в области эволюционной биологии в Венском университете.
«Так называемая борьба за власть между матерью и плодом, по-видимому, ограничивается определёнными генетическими регионами. Вместо того чтобы задаваться вопросом, является ли беременность в целом конфликтом или сотрудничеством, более полезным вопросом может быть: где находится конфликт?»
Новые горизонты
Открытия команды стали возможны благодаря сочетанию двух мощных инструментов: одноклеточной транскриптомике, которая фиксирует активность генов в отдельных клетках, и методам эволюционного моделирования, помогающим учёным реконструировать, как черты могли выглядеть у давно вымерших предков. Применяя эти методы к типам клеток и их генной активности, исследователи могли моделировать, как клетки общаются у разных видов, и даже заглянуть, как этот диалог развивался на протяжении миллионов лет.
«Наш подход открывает новое окно в эволюцию сложных биологических систем — от отдельных клеток до целых тканей», — говорит Сильвия Басанта, соавтор исследования и исследователь в Венском университете.
Исследование не только проливает свет на эволюцию беременности, но и предлагает новую основу для отслеживания эволюционных инноваций на клеточном уровне — идеи, которые однажды могут улучшить наше понимание, диагностику или лечение осложнений, связанных с беременностью.