Ученые раскрыли 100-миллионолетнюю тайну беременности: как эволюционировала плацента

Беременность может выглядеть как борьба, но на самом деле это древний, тонко настроенный механизм сотрудничества. Автор: Shutterstock

Международная команда исследователей под руководством ученых из Венского университета обнаружила новые данные о том, как специализированные типы клеток и коммуникационные сети на границе между матерью и плодом эволюционировали в течение миллионов лет. Эти открытия проливают свет на одно из самых удивительных изобретений природы — способность поддерживать успешную беременность. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.

Длительная беременность, достаточная для полного развития плода, является ключевым эволюционным прорывом плацентарных млекопитающих — группы, к которой относятся и люди. В центре этого процесса находится фетально-материнский интерфейс: область в матке, где плацента ребенка соприкасается с материнской тканью, и где два генетически различных организма — мать и плод — находятся в тесном контакте и постоянном взаимодействии. Этот интерфейс должен поддерживать хрупкий баланс: быть достаточно тесным для обмена питательными веществами и сигналами, но достаточно защищенным, чтобы предотвратить отторжение генетически «чужеродного» плода иммунной системой матери.

Чтобы раскрыть происхождение и механизмы этой сложной структуры, команда проанализировала транскриптомы отдельных клеток — «снимки» активных генов — у шести видов млекопитающих, представляющих ключевые ветви эволюционного древа. В исследование вошли мыши и морские свинки (грызуны), макаки и люди (приматы), а также два менее распространенных вида: тенрек (ранний представитель плацентарных млекопитающих) и опоссум (сумчатое животное, отделившееся от плацентарных до развития сложной плаценты).

«Атлас клеток млекопитающих при беременности»

Анализируя клетки на границе между плодом и матерью, исследователи смогли проследить эволюционное происхождение и разнообразие ключевых типов клеток. Основное внимание уделялось двум главным участникам: клеткам плаценты, которые происходят от плода и внедряются в материнскую ткань, и стромальным клеткам матки, которые имеют материнское происхождение и реагируют на это вторжение.

Используя методы молекулярной биологии, команда выявила уникальные генетические сигнатуры — паттерны активности генов, характерные для определенных типов клеток и их специализированных функций. Особенно важно, что они обнаружили генетическую сигнатуру, связанную с инвазивным поведением клеток плаценты, которая сохранялась у млекопитающих более 100 миллионов лет. Это открытие опровергает традиционное представление о том, что инвазивные клетки плаценты уникальны для людей, и показывает, что они являются глубоко консервативным элементом эволюции млекопитающих. При этом материнские клетки также не оставались пассивными: у плацентарных млекопитающих, но не у сумчатых, появились новые формы выработки гормонов, что стало ключевым шагом к длительной беременности и сложному вынашиванию.

Диалог клеток: между сотрудничеством и конфликтом

Чтобы лучше понять, как функционирует фетально-материнский интерфейс, исследование проверило две влиятельные теории об эволюции клеточной коммуникации между матерью и плодом.

Первая, «Гипотеза разграничения», предполагает, что со временем гормональные сигналы стали четко разделяться между плодом и матерью — возможно, как защитный механизм для предотвращения манипуляций. Результаты подтвердили эту идею: определенные сигналы, включая WNT-белки, иммунные модуляторы и стероидные гормоны, можно было четко отследить до одного источника.

Вторая, «Гипотеза эскалации» (или «геномный конфликт»), предполагает эволюционную гонку вооружений между материнскими и плодными генами — например, плод усиливает сигналы роста, а материнская сторона пытается их подавить. Такой паттерн наблюдался у небольшого числа генов, в частности IGF2, регулирующего рост. В целом, данные указывали на тонко настроенное сотрудничество.

«Эти результаты позволяют предположить, что эволюция могла способствовать большей координации между матерью и плодом, чем считалось ранее», — говорит Даниэль Дж. Штадтмауэр, ведущий автор исследования. — «Так называемая борьба между матерью и плодом, по-видимому, ограничена определенными генетическими областями. Вместо того чтобы спрашивать, является ли беременность в целом конфликтом или сотрудничеством, более полезным вопросом может быть: где именно происходит конфликт?»

Анализ отдельных клеток: ключ к эволюционным открытиям

Открытия команды стали возможными благодаря сочетанию двух мощных инструментов: транскриптомики отдельных клеток, которая фиксирует активность генов в каждой клетке, и методов эволюционного моделирования, позволяющих реконструировать, как могли выглядеть признаки у давно вымерших предков. Применяя эти методы к типам клеток и их генной активности, исследователи смогли смоделировать, как клетки общаются у разных видов, и даже заглянуть в то, как этот диалог развивался в течение миллионов лет.

«Наш подход открывает новое окно в эволюцию сложных биологических систем — от отдельных клеток до целых тканей», — говорит Сильвия Басанта, соавтор исследования. Исследование не только проливает свет на эволюцию беременности, но и предлагает новую основу для отслеживания эволюционных инноваций на клеточном уровне — знания, которые однажды могут улучшить понимание, диагностику или лечение осложнений беременности.

Исследование проводилось в лабораториях Михаэлы Павличевой на кафедре эволюционной биологии Венского университета и Гюнтера Вагнера в Йельском университете. Работа была поддержана Фондом Джона Темплтона и Австрийским научным фондом (FWF).

Источник: sciencedaily.com