Изменение белка в нейронах, координирующих движения гремучей змеи, сделало нейрон медленного ползания более похожим на нейрон быстрого погремушки, продемонстрировав один из способов, которым эволюция может создавать новые способы передвижения. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Животные двигаются по-разному, и эти типы движений и темпы определяются их биологией. Новое исследование выявило белок в двигательном нейроне, который может быть настроен на два типа движений гремучей змеи: медленное скольжение и быстрое дребезжание.
Введение
В марте 2019 года в поезде, направлявшемся на юго-запад из Мюнхена, нейробиолог Максимилиан Боте осторожно поправил кулер на коленях. В нем не было его обеда. Внутри находилась ткань из полудюжины спинных мозгов гремучей змеи, упакованная во льду — специальная доставка для его нового научного руководителя Бориса Шаньо, нейробиолога-бихевиориста, работающего по другую сторону Альп. В своей лаборатории в Университете Граца в Австрии Шаньо содержит целый зверинец водных животных, которые передвигаются необычными способами — от пираний и сомов, которые барабанят по воздушным пузырям, чтобы издавать звук, до илистых прыгунов, которые прыгают по суше на двух плавниках. Шаньо изучает и сравнивает нейронные цепи этих существ, чтобы понять, как могут развиться новые способы передвижения, и Боте взял с собой свои иглы гремучей змеи, чтобы присоединиться к этому начинанию.
Способы передвижения животных столь же многочисленны, как и само царство животных. Они ходят, бегают, плавают, ползают, летают и скользят — и внутри каждой из этих категорий существует огромное количество едва заметных типов движений. У чайки и колибри есть крылья, но в остальном их техника полёта и способности совершенно различны. У косаток и пираний есть хвосты, но они плавают совершенно по-разному. Даже ходьба или бег человека движет его телом принципиально по-разному.
Темп и тип движений, которые может выполнять данное животное, задаются биологическим аппаратом: нервами, мышцами и костями, чьи функции ограничены неврологическими ограничениями. Например, темп ходьбы позвоночных задаётся нейронными цепями в их позвоночнике, которые активируются без какого-либо сознательного участия мозга. Темп этих движений определяется свойствами нейронных цепей, которые ими управляют.
Чтобы у животного появился новый способ передвижения, что-то в его нервной системе должно измениться. Шаньо хочет подробно описать, как это происходит.
«В процессе эволюции вы не просто изобретаете велосипед. Вы берёте уже существующие элементы и модифицируете их», — сказал он. «Как модифицировать те компоненты, которые являются общими для многих разных видов, чтобы создать новые модели поведения?»
Недавно его команда нашла один из ответов на этот вопрос в ходе экспериментов с гремучими змеями Боте — организмом, имеющим два различных темпа движения, встроенных в одно длинное, тонкое тело.
Два различных способа передвижения гремучей змеи — медленное скольжение тела и быстрое дребезжание хвоста — делают ее идеальной экспериментальной установкой для изучения того, как молекулярные изменения в двигательных нейронах могут вызывать различные движения.
Результаты их исследований, опубликованные в журнале Current Biology в январе, показали, как изменение одного белка — калиевого ионного канала — может заставить быстро активирующиеся мотонейроны дребезжащего хвоста змеи вести себя подобно медлительным мотонейронам её волнообразного тела, и наоборот. Это открытие свидетельствует о том, что, казалось бы, незначительные изменения в физиологии животного могут трансформировать одну и ту же команду нервной системы в различные способы движения.
«Что мне показалось особенно уникальным и интересным в этом исследовании, так это то, что они сосредоточились на двигательных нейронах, выполняющих две совершенно разные функции, но у одного и того же животного», — сказала нейробиолог Марта Бэгнолл из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, не принимавшая участия в исследовании. «Изучение их у одного животного дало им действительно точное и точное сравнение».
Это открытие указывает на то, каким образом животные на разных этапах развития жизни могут приобретать новые формы поведения. Изменение нужного элемента биологического механизма — в данном случае, конкретного ионного канала — может радикально изменить его работу, подобно тому, как изменение громкости динамика. Эволюция может сначала повлиять на управление, а не переделывать весь механизм.
«Это был очень точный результат», — сказал Пол Кац, нейробиолог-бихевиорист из Массачусетского университета в Амхерсте, который также не принимал участия в исследовании. «И, знаете, гремучие змеи — они классные».
Установочные винты
Шаньо не интересуется гремучими змеями как таковыми. «Я только что увидел интересный биологический вопрос, — сказал он. — Я — научный оппортунист».
Его команда изучает организмы, которые, по их мнению, позволят выявить то, что они называют эволюционными Stellschrauben (винтами) поведения. Немецкое слово буквально означает «регулировочные винты», хотя это и неуклюжий перевод: Stellschrauben — это небольшие элементы управления, которые регулируют настройки более крупной машины. Если машина — это нервная система, а настройки — непосредственное поведение, то Stellschrauben — это биологические переключатели, триггеры и ручки, которые всего лишь с небольшим изменением меняют поведение животного настолько кардинально, что это приводит к эволюционным последствиям.
Гремучие змеи предоставляют возможность понять, как биология меняет настройки скорости у одного и того же животного. Исследователям, интересующимся такими вопросами, часто приходится сравнивать разные виды с разным поведением, например, чайку и колибри, которые летают, но двигаются с разной скоростью. Однако в этом случае сложно определить, какое из многочисленных биологических различий между двумя видами лежит в основе вариаций в одном и том же двигательном поведении. Сравнение медленного скольжения гремучей змеи с её быстрым дребезжанием позволяет избежать проблемы сравнения яблок с апельсинами или анчоусов с косатками.
Борис Шаньо (слева) и Максимилиан Боте пытаются идентифицировать Stellschrauben эволюции, что в переводе с немецкого означает «регулировочные винты» — биологические циферблаты, которые можно крутить, чтобы генерировать новые модели поведения.
Это понимание — что гремучие змеи умеют передвигаться двумя способами в одном теле — и стало причиной того, что Боте оказался в поезде из Мюнхена в Грац с холодильником, полным змеиных игл.
Вернувшись в Грац, он поместил ткань спинного мозга гремучей змеи в агар (разновидность желатина) и сделал тончайшие срезы для микроскопии. Визуально двигательные нейроны погремушки и тела змеи казались абсолютно одинаковыми. Но когда Боте с помощью электрода проверил их электрические свойства, он обнаружил поразительные различия.
Нейроны изменяют свою электрическую активность, используя насосы и каналы, встроенные в их клеточные мембраны, для управления потоком заряженных ионов, таких как калий и натрий. В состоянии покоя нейроны сохраняют свой внутренний заряд более отрицательным, чем внешняя среда, поддерживая мембранное напряжение покоя около -70 милливольт. Затем, когда сигналы от других нейронов увеличивают это мембранное напряжение, клетка «срабатывает» — она открывает шлюзы своих ионных каналов и позволяет положительным ионам проникать внутрь, вызывая резкий скачок напряжения.
Этот скачок напряжения, называемый потенциалом действия, распространяется по клеточной мембране нейрона, достигая синапса – места контакта между нейроном и другой клеткой, где он запускает выброс химических веществ-посредников, называемых нейротрансмиттерами. В случае двигательных нейронов и мышц выброс нейротрансмиттера ацетилхолина заставляет мышцу сокращаться.
Боте обнаружил, что электрический ток, необходимый для достижения порогового напряжения и активации мотонейрона тела змеи, был «намного ниже, чем для мотонейронов погремушки», — сказал он. «Чтобы активировать нейрон погремушки, нужно подать гораздо больший ток». Кроме того, по сравнению с мотонейронами погремушки, мотонейроны тела реагировали медленнее.
Поскольку трещоточные нейроны активируются только в ответ на сильные, очевидные сигналы, они с меньшей вероятностью дают сбои из-за слабых колебаний фонового неврологического шума. Они менее нервные и более точные, что позволяет им передавать высокочастотные сигналы.
Выявив это различие между погремушковыми и туловищными двигательными нейронами, следующим шагом стало нахождение Stellschrauben, которые его контролируют.
Метод проб и ошибок
Нейроны — это клетки, а не машины, что означает их сложное биологическое строение. «Винтик», который искали Боте и Шаньо и который управлял электрическими свойствами мотонейрона, мог быть чем угодно: от едва заметного изменения структуры мембранного белка до экспрессии совершенно иного набора ионных насосов и каналов. Тем не менее, у исследователей были веские основания полагать, что их Stellschrauben будет включать калиевый ионный канал. Предыдущие исследования нейронов показали, что эти каналы важны для настройки точности нейронов, но их роль в регуляции поведения именно мотонейронов оставалась неясной.
«Скажем так, существует определённый набор инструментов, доступный эволюции», — сказал Боте. «Так что, возможно, здесь речь идёт о тех же ионных каналах».
Поиск точного канала занял годы проб и ошибок. Сравнение экспрессии генов калиевых каналов в клетках тела и погремушки не выявило существенных различий. Поэтому Шаньо и Боте продолжили исследовать действие препаратов, блокирующих определённые типы каналов. Наконец, они нашли канал, который при блокировке генерировал разные скорости движения: калиевый канал KV72/3.
Затем Боте провел более точные эксперименты, используя препараты для усиления и подавления активности канала. Когда он ограничивал активность канала в мотонейронах погремушки, они активировались медленнее и неточно, как если бы это были мотонейроны тела. Затем, усилив активность калиевого иона, он наблюдал противоположный эффект: мотонейроны тела активировались быстро и точно, как мотонейроны погремушки.
Двигательные нейроны гремучей змеи, иннервирующие мышцы её погремушки, ярко светятся на этом срезе спинного мозга. Исследователи обнаружили, что изменения в ионном канале, модулирующем потенциал клетки, заставляют нейрон погремушки вести себя как нейрон тела.
Как будто этот ионный канал был циферблатом, который мог переключать один тип нейронов в другой. Но чем же на самом деле отличался этот белок в теле змеи и погремушке?
Сначала исследователи предполагали, что у мотонейронов погремушки должны быть дополнительные калиевые каналы KV72/3. Ученые предположили, что если у нейронов погремушки больше каналов, то они могут быстрее разряжать ионы, снижая напряжение и подготавливая каналы к быстрой повторной активации.
Чтобы выяснить это, Боте и Шанно извлекли и секвенировали РНК из обоих типов двигательных нейронов гремучей змеи и отправили данные Джейсону Галланту, эволюционному биологу из Мичиганского университета, чтобы он мог сравнить экспрессию гена канала KV72/3 в двух тканях. Ген, кодирующий каналы KV72/3, одинаков во всех клетках тела животного, но если бы в нейронах гремучей змеи было больше каналов KV72/3, исследователи ожидали бы увидеть более высокую экспрессию гена в этой ткани.
Увы, их простое объяснение не подтвердилось. «На самом деле, разницы в уровне экспрессии генов в этих калиевых каналах нет, что разочаровывает», — сказал Галлант. «Но я думаю, что это открывает более реалистичный взгляд на биологию».
Изменения в экспрессии этого гена могли бы дать простой и понятный способ объяснить, как эволюционно регулируются «винтики» двигательных нейронов гремучей змеи. Но биология предлагает и другие возможности. Шаньо и Боте предположили, что после того, как канальные белки будут построены по генетическому шаблону, они могут модифицироваться в несколько иные формы, которые по-другому управляют ионами. Для уточнения деталей — поиска механизма, который регулирует этот контроль, — потребуются дополнительные исследования.
Со своей стороны, Кац вовсе не считал результат разочаровывающим. «То есть они не увидели [изменений] экспрессии генов. Именно такого ответа они и ожидали», — сказал он. «Но дело в том, что это отличный результат».
На протяжении многих десятилетий исследователи предполагали, что двигательные контуры «существуют в том виде, в котором они будут использоваться», — сказал Кац, — то есть, запуск такого поведения, как ходьба или плавание, — это просто вопрос включения нужного контура. С этой точки зрения, развитие нового поведения потребовало бы совершенно новой конфигурации контура. Но, изучая столь разнообразные организмы, как ракообразные, морские слизни, а теперь, возможно, и змеи, исследователи обнаруживают, что взаимодействие с нейромодуляторами и другими химическими веществами может модулировать активность, вызываемую контуром, заставляя одни и те же сети клеток воспроизводить совершенно разные формы поведения.
По словам Каца, новое исследование намекает на то, что игра с этой пластичностью может быть способом развития новых двигательных навыков. Возможно, разница между погремушкой и поведением тела связана с тонкими различиями в химической среде их клеток, а не со структурой или экспрессией самого ионного канала.
«Для многих эволюционных модификаций ваша главная цель — не сломать животное, верно?» — сказал Бэгнолл. «Всё, что вы можете сделать, чтобы настроить признаки, не становясь переключателем, — это мощный инструмент для изменений, не нанося при этом серьёзного вреда».
Поворот и настройка
Новое исследование показывает, что можно настроить двигательные нейроны на совершенно разные типы поведения, изменив один белок. Но двигательные нейроны — лишь один из фрагментов двигательной мозаики. Они — последнее звено в цепочке, которая начинается с нейронных цепей в центральной нервной системе, известных как центральные генераторы ритмических паттернов, которые генерируют ритмические паттерны, необходимые для ходьбы или плавания. Эти нейронные цепи, расположенные выше по цепочке, лучше изучены у других организмов, например, у зебры. У гремучих змей их изучение было бы следующим логичным шагом.
«Главное недостающее звено, — сказал Кац, — как создаётся частота для погремушки? Откуда она берётся?»
Шаньо горит желанием выяснить, настраивает ли аналогичный механизм Stellschraube двигательные нейроны у другого вида, которого боятся из-за его укуса. Как и гремучие змеи, пираньи выполняют два ритмичных движения с радикально различающимися частотами: плавание с частотой до шести циклов в секунду и вибрацию плавательного пузыря с частотой до 140 циклов в секунду, издавая звуки, похожие на лай, визг и барабанную дробь. Однако, в отличие от гремучих змей, пираньи используют один и тот же отдел позвоночника для управления обоими типами движений.
«Мне интересно, это будет KV72/3? Мы понятия не имеем», — сказал Шаньо. «Нашла ли эволюция такое же решение для такой же проблемы?»
У него есть сомнения. Хотя он и надеется найти аналогичный механизм, удивительное — и порой разочаровывающее — открытие у гремучих змей «стало для него открытием», — сказал он. Эволюция — это не человеческий конструктор с определённой целью. Её методы загадочны, а её набор инструментов огромен. «И у вас есть очень разные винтики, которые можно повернуть».
Источник: www.quantamagazine.org
