Типы клеток - это популяции клеток, которые приобрели качественные особенности (индивидуализированы) в процессе развития, приспособлены для выполнения определенного набора функций и образуют клоны эволюционного происхождения. Клеточные типы возникают в процессе эволюции как основной способ усложнения тел многоклеточных организмов. Таким образом, происхождение и эволюция клеточных типов является центральным вопросом эволюционной биологии развития. В этой главе концепция клеточного типа объясняется с точки зрения развития и эволюции. В процессе развития идентичность клеточного типа определяется активацией сети регуляции основных генов, которые производят белки транскрипционных факторов, образующие специфические для клеточного типа основные регуляторные комплексы. В эволюции типы клеток возникают, скорее всего, в результате дифференциации от предкового типа клеток. Как следствие, типы клеток G. P. Wagner (*) Department of Ecology and Evolutionary Biology, Systems Biology Institute, Yale University, New Haven, CT, USA e-mail: gunter.wagner@yale.edu © Springer Nature Switzerland AG 2021 L. Nuno de la Rosa, G. B. Müller (eds.), Evolutionary Developmental Biology, https://doi.org/10.1007/978-3-319-32979-6_153 511 образуют клоны, которые связаны с древом происхождения, похожим на геномное дерево генов, связанных с дупликацией генов. Раскрытие молекулярных механизмов возникновения типов клеток является основной актуальной задачей эволюционной биологии развития.

Клетка является фундаментальной единицей жизни. Все формы жизни прямо или косвенно зависят от той или иной формы клеточной организации. Косвенная зависимость от клеточной организации относится к вирусам, которые сами не являются клетками, но, тем не менее, зависят от клеточной организации своих хозяев, на которых они паразитируют. Развитие и эволюция сложных организмов, в основном животных и растений, зависят от дифференциации клеток на типы клеток, которые выполняют специализированные функции в организме. Одной из первых дифференцировок типов клеток в истории многоклеточной жизни была дифференциация между клетками зародышевой линии, специализированными для размножения, и клетками сомы, предназначенными для передвижения, добывания пищи и защиты (Buss 1987; Michod 1999; Michod and Herron 2006). Дальнейшая разработка планов тела тесно связана с увеличением числа различных типов клеток (Valentine et al. 1994; Arendt 2008; Arendt et al. 2016; Wagner 2014; Erwin 2015).

У человека насчитывается по меньшей мере 411 морфологически распознаваемых типов клеток (Vickaryous and Hall 2006), хотя это число, скорее всего, сильно занижено. Напротив, анатомически простейшее свободноживущее многоклеточное животное (Trichoplax adhaerens) имеет всего 5-6 морфологически распознаваемых типов клеток (Syed and Schierwater 2002; Smith et al. 2014), хотя анализ экспрессии генов одиночных клеток указывает на существование гораздо большего числа типов клеток в этом организме, в частности различных типов клеток peptidergic желез (Varoqueaux et al. 2018; Sebe-Pedros et al. 2018). Таким образом, очевидно, что эволюция плана тела животных частично происходила за счет эволюции новых типов клеток. Таким образом, эволюция типов клеток является центральной темой в исследовании эволюции развития, то есть изучения того, как развитие способствует эволюции.

Традиционно клеточные типы распознаются по их отличительной морфологии, которая во многих случаях отражает их специализированную функцию: клетки скелетных мышц, костные клетки, нейроны и т.д. (Ross and Pawlina 2011). (Ross and Pawlina 2011). Эти типы клеток возникают в процессе развития путем пролиферации недифференцированных или минимально дифференцированных эмбриональных клеток, которые в конечном итоге подвергаются так называемой терминальной дифференцировке в различные типы клеток. Последнее утверждение справедливо для большинства форм развития, а именно тех, где эмбрион вырастает из одной клетки, либо оплодотворенной яйцеклетки, либо неоплодотворенной клетки в случае партеногенеза. Есть несколько исключений из этого способа развития, например, геммулы губок, которые собираются из нескольких типов клеток (Simpson 1984; Brusca et al. 2016), или фрагментация тела, которая является формой бесполого размножения, как это наблюдается у некоторых плоских червей и аннелид (Brusca et al. 2016). Следовательно, типы клеток также необходимо рассматривать и через их происхождение в процессе развития, т.е. анализировать генетические механизмы, которые позволяют им стать специализированными для различных функций и экспрессировать различные наборы генов. Наконец, идентичные типы клеток могут быть идентифицированы у разных видов, то есть существуют гомологичные типы клеток у разных видов. Обнаружение гомологичных типов клеток у разных видов подразумевает, что типы клеток наследуются в ходе эволюции и имеют свою собственную эволюционную историю возникновения и модификации. Следовательно, нам необходимо понять типы клеток в трех аспектах: функция и морфология, развитие, а также эволюция.

Традиционно типы клеток распознаются по их отличительной морфологии (рис. 1a). Нервные клетки в большинстве случаев дендритные, т.е. имеют множество отростков (проекций), отходящих от тела клетки. Эти выпячивания можно разделить на дендриты и аксоны, где дендриты и тело клетки являются воспринимающим устройством нейрона, а аксон и его пресинаптические элементы передают стимулы другим нейронам, а также клеткам мышц и желез. С другой стороны, скелетные мышцы представляют собой длинные трубки цитоплазмы, которые развиваются в результате слияния клеток миобластов и имеют четкий полосатый рисунок цитоскелетных белков, отвечающих за их способность сокращаться. Различные структуры отдельных типов клеток отражают специализированные функции, для которых они "вылеплены" естественным отбором. Морфология и функция тесно связаны друг с другом, по крайней мере, во многих легко узнаваемых типах клеток. Из этого факта мы узнаем, что типы клеток - это популяции клеток, предназначенные для выполнения различных функциональных ролей.

Чисто функциональная/морфологическая классификация типов клеток, однако, адекватна, только если мы фокусируемся на одном или нескольких близкородственных видах, скажем, на человеке и приматах. Ситуация усложняется, когда сравнение клеточной архитектуры расширяется и включает более отдаленно родственных животных по двум направлениям: (1) функции, выполняемые разными типами клеток в одной группе животных, могут выполняться одним и тем же типом клеток у некоторых других животных; (2) типы клеток могут менять свои функции в процессе эволюции, т.е. один и тот же (гомологичный) тип клеток может иметь различные физиологические функции у разных животных. Под гомологичными типами клеток мы понимаем типы клеток двух видов, которые произошли от одного и того же типа клеток самого последнего общего предка этих двух видов. Примером многофункциональных типов клеток является так называемая эпителиомышечная (epitheliomuscular) клетка. У большинства животных с более сложным строением тела, таких как насекомые и млекопитающие, сократительная способность осуществляется группой типов клеток, называемых мышечными клетками. Существуют различные виды мышечных клеток, скелетные, гладкие и сердечные мышцы, но суть в том, что большинство рутинных сократительных функций связано с локомоцией, перекачиванием крови, выдавливание яиц (Рис. 1).

Традиционное представление о типах клеток. (a) Типы клеток классифицируются на основе их различной морфологии, которая в значительной степени отражает их функции. (b) Схема эпителио-мышечных клеток полипа книдарии. Это пример примитивного типа клеток, выполняющего несколько функций, которые в более развитых видах выполняются несколькими специализированными типами клеток. Это эпителиальная клетка, которая, таким образом, образует барьер между организмом и окружающей средой [или между различными частями тела], но она также имеет сократительные волокна в своем основании, которые действуют как мышечные клетки. Кроме того, она может действовать как секреторная клетка, см. желтые везикулы. Идея модели сестринских типов клеток (рис. 8) заключается в том, что изначально многие функции выполняли немногие типы клеток, а новые типы клеток возникли в результате выполнения одной из функций тем или иным видом мышечной клетки. Другие типы клеток специализировались для разделения пространств в организме (например, стенки кровеносных сосудов) и отделения полости тела от окружающей среды (например, "кожа" или эпидермис), или для производства и секреции пищеварительных ферментов. Таковы различные виды эпителия. У других животных, например у гидры и некоторых других беспозвоночных, эти функции - сокращение и функции эпителия - выполняются одним и тем же типом клеток, то есть эпителиальной клеткой, которая имеет часть, предназначенную для сокращения, так называемой эпителиомускульной клеткой (рис. 1б). Существование этих многофункциональных клеток, в частности, у животных с более простым строением тела, также преподносит нам важный урок о том, как типы клеток могут возникать в процессе эволюции. Новые типы клеток могут возникать и без выполнения новой функции, поскольку эти функции часто могут выполняться многофункциональными типами клеток у других видов.

Одним из способов возникновения новых типов клеток является сегрегация функций, когда функции родоначальной клетки передаются двум различным типам клеток с более подходящей (предопределенной) формой. Это своего рода "разделение труда" - родоначальной клетки между разными производным типами клеток. Это наблюдение приводит к модели происхождения типов клеток, называемой моделью сестринского типа клеток, о которой речь пойдет ниже. Тем не менее, также возможно, что новые типы клеток возникают в результате эволюции новых функций, о чем свидетельствует существование типов клеток с функциями, которые, очевидно, не выполняются родоначальными типами клеток, например, цнидоциты (стрекательные клетки медуз) у цнидарий. Хотя в этих случаях нужно быть осторожным, чтобы не спутать происхождение нового типа клеток с происхождением новой клеточной функции. Например, возможно, что цнидоциты являются трансформированными секреторными клетками, где новым является приобретение цниды (стрекательной капсулы стрекательных клеток) уже предсуществующим типом клеток. В этом случае не возникла новое качество (идентичность) клеточного типа, но ранее существовавший тип клеток приобрел новую функцию и форму. Другое осложнение - изменение функции. Любая часть тела может изменить свою функцию в процессе эволюции. Например, парные придатки у позвоночных (плавники/ конечности) сначала возникли для облегчения навигации водных позвоночных, "рыб" в широком смысле слова. Затем они модифицировались для передвижения по суше (т.е. плавники превратились в конечности), а у некоторых групп (птиц, летучих мышей и птеродактилей) передние конечности модифицировались для полета (т.е. стали крыльями). То же самое верно и для типов клеток, хотя примеры не столь очевидны, как для макроскопических частей тела, таких как плавники, конечности и крылья.

Примером могут служить некоторые клетки сетчатки глаза позвоночных. Сетчатка позвоночных состоит из нескольких типов нейронных клеток (рис. 2). Есть светочувствительные фоторецепторы, колбочки и палочки, и есть интернейроны различных типов, которые соединяют фоторецепторы с другими нервными клетками: горизонтальными клетками, ганглиозными клетками, амакриными клетками и т.д. Детальный анализ молекулярных свойств этих клеток позволяет предположить, что некоторые из интернейронов на самом деле являются модифицированными фоторецепторными клетками. Например, так называемая биполярная клетка - это интернейрон, который соединяет (Рис. 1 (продолжение)) фоторецепторы с ганглиозными клетками, но она имеет профиль экспрессии транскрипционных факторов фоторецепторной клетки и, вероятно, является сестринским типом клеток для палочек и колбочек (Arendt 2003, 2008). Это означает, что некоторые интернейроны в сетчатке гомологичны фоторецепторам у предковых позвоночных. Другими словами, биполярные клетки принадлежат к семейству фоторецепторных типов клеток, т.е. они более тесно связаны с фоторецепторами, чем с другими формами нейронов с аналогичной межнейронной функцией. Биполярные клетки "являются" фоторецепторами, хотя они не специализированы для восприятия света, т.е. не являются фоторецепторами с точки зрения их физиологии/функции. Этот последний факт показывает, что понятие типа клеток в широком сравнительном, эволюционном смысле является "абстрактным", то есть оно не зависит от конкретной функции, которую тип клеток выполняет у определенного вида. Это похоже на идею о том, что понятие конечности тетрапода не зависит от того, используется ли она для бега, плавания, полета или игры на пианино. Ласты кита, крылья птиц и летучих мышей - это все передние конечности, независимо от их формы или функции.

На Рис. 2 представлены филогенетические отношения между клетками, произошедшими от предковых фоторецепторных клеток. Обратите внимание, что это дерево включает клетки разных видов, а также разные клетки одного вида. Даже различные типы клеток одного вида имеют филогенетические связи, аналогично случаю генов паралогов в геноме одного вида. Примечательно также, что это дерево клеток, относящихся к фоторецепторам, включает также клетки, которые сами по себе не являются фоторецепторами в функциональном смысле. Они являются "фоторецепторами" с точки зрения серийной гомологии, что означает, что они более тесно связаны с фоторецепторными клетками, чем с любым другим типом клеток в организме.

В предыдущем разделе мы обсудили, что клеточные типы существуют потому, что они выполняют специализированные функции, необходимые для роста, выживания и воспроизводства животного или растения. Для выполнения этих функций каждый тип клеток должен экспрессировать свой, хотя и частично совпадающий, набор белков и РНК. Например, мышечные клетки должны экспрессировать актины и миозины, чтобы собрать сократительный аппарат. С другой стороны, нейроны должны экспрессировать гены для ионных каналов или ферментов, для производства молекул нейротрансмиттеров, а также для создания специализированных контактов с другими клетками, называемых синапсами, и другие (Ryan and Grant 2009). Способность дифференциально регулировать экспрессию так называемых эффекторных генов (генов белков, выполняющих физиологические функции, таких как ферменты, цитоскелетные белки, компоненты внеклеточного матрикса и т.д.) является основой развития специфических свойств клеточного типа. В процессе развития возникновение типов клеток можно представить в виде двух основных фаз: предопределение типа клеток и дифференцировка типов клеток. Во время предопределения клеточного типа клетка получает ряд сигналов, которые более или менее необратимо предопределяют ее судьбу. Этот процесс обычно происходит с незначительными внешними проявлениями дифференцировки, т.е. представляет собой только состояние регуляции, а не конкретный физиологический фенотип. Детерминация может быть иерархическим, многоступенчатым процессом, в котором клетка сначала становится приверженной широкому спектру возможных судеб, например, становится клеткой центральной нервной системы, не уточняя, будет ли она глиальной клеткой или каким конкретным типом нейронных клеток она станет. За этим первоначальным определением может последовать ряд дальнейших этапов уточнения (нейрон против глии, а затем гранулярная клетка против клетки Пуркинье, например, и т.д.), пока не будет достигнута конкретная идентификация типа клеток. В этот момент происходит так называемая терминальная дифференцировка, т.е. клетка принимает свой окончательный функционально специализированный фенотип и становится узнаваемой на основе профиля экспрессии генов и структуры. Определение типа клетки происходит либо под действием сигнальных молекул, испускаемых другими клетками, или даже сигналов, получаемых из окружающей среды, либо под действием факторов, находящихся в цитоплазме клетки. В последнем случае эти факторы обычно связаны с цитоскелетом материнской клетки и асимметрично локализованы в нем таким образом, что одна дочерняя клетка получает этот фактор, а другая - нет или в меньшем количестве. Таким образом, две дочерние клетки приобретают различные судьбы клеточного типа. Более подробные механистические детали этого процесса определения типа клеток и дифференцировки будут рассмотрены в следующем разделе.

Процесс определения клеточной судьбы может быть высоко регулируемым и предсказуемым или стохастическим и "регуляторным". В данном контексте "регуляторный" означает, что процесс развития подчиняется и реагирует на внеклеточные воздействия. Примером высоко регулируемого, детерминированного процесса определения типа клеток является развитие нематоды Caenorhabditis elegans (рис. 3). В каждом эмбрионе каждая клетка происходит путем точно определенной последовательности клеточных делений от клетки предшественника, и при каждом клеточном делении две последующие клетки будут иметь точно предсказуемую судьбу. Такой высоко регулируемый режим развития типов клеток характерен для мелких животных с низким и видоспецифичным числом клеток в целом. Примерами могут служить нематоды, коловратки и подобные мелкие беспозвоночные.

На Рис. 3 представлено развитие клеток репродуктивной системы у четырех видов нематод. Для каждого вида представлено древо связанности (relatedness) развития. Обратите внимание, что соответствующие типы клеток возникают из немного отличающихся клеточных линий, показывая, что развитие клеточных клонов не связано жестко с качественными особенностями клеточного типа. (Developmental Biology, Volume 264, Issue 1, David Rudel and Ralf J Sommer, pp. 15-37, 2003, с разрешения Elsevier). Эволюция онтогенетических механизмов развития клеточных клонов очень консервативна среди особей одного вида. Интересно, что этот способ развития клеточных типов, столь детерминированный и регулируемый в пределах одного вида, лишь частично сохраняется, когда мы рассматриваем разные виды. Напротив, у животных с большим и непостоянным количеством клеток, таких как позвоночные и даже насекомые, как правило, наблюдается гораздо менее регулярный режим развития клеточных типов. Отдельные клеточные клоны не так предсказуемы в отношении конечной судьбы клетки, хотя некоторые очень широкие закономерности развития клеточных типов все же существуют. Например, клетки эпителия кишечника и его придаточных органов (например, печени, поджелудочной железы, легких и т.д.), как правило, происходят из популяции клеток, которые откладываются в начале развития, из так называемой энтодермы, в то время как скелетные мышцы и клетки скелета происходят из эмбриональной популяции клеток, называемой мезодермой. Кроме того, последовательность клеточных состояний, через которые проходит отдельная клетка для достижения идентичности определенного клеточного типа, может быть изменчивой даже при нормальном развитии. Например, сообщалось, что стромальные фибробластные клетки, выстилающие матку (эндометрий) происходят из мезенхимных стволовых клеток костного мозга, перицитов кровеносных сосудов эндометрия или из стволовых клеток самой матки. Другим примером являются тканевые фибробласты, которые также могут происходить из мезенхимных стволовых клеток костного мозга, но также из эпителиальных клеток в результате процесса, называемого EMT, эпителиально-мезенхимного перехода, а также из моноцитов, разновидности иммунных клеток (Filer and Buckley 2010). Все эти примеры показывают, что типы клеток представляют собой определенное состояние регуляции генов, независимо от того, как это состояние достигается в процессе развития или во время патологического процесса. Идентичность клеточного типа является внутренним состоянием регуляции генов и не связана жестко с определенным развитием.

Даже на самом поверхностном уровне одни и те же типы клеток часто можно распознать у разных видов, т.е. они наследуются вместе с другими признаками от общих предков сравниваемых видов и остаются узнаваемыми через поколения и через видообразование. Технически этот факт называется гомологией: один и тот же тип клеток у разных видов, независимо от формы и функции. Конечно, не все животные имеют одинаковые типы клеток. Этот факт показывает нам, что типы клеток должны возникнуть в процессе эволюции в какой-то момент времени, поскольку они не являются общими для всех животных. К такому же выводу можно прийти, рассматривая вариации в количестве распознаваемых типов клеток у разных видов, о чем говорилось во введении к этой главе. Анатомически более сложные организмы, а также те, которые представляют планы тела, возникшие позднее в филогенезе, имеют больше типов клеток, чем анатомически более простые животные. Более подробное обсуждение процесса возникновения клеточных типов приведено ниже в разделе об эволюционном происхождении клеточных типов. Типы клеток отличаются не только функционально и по развитию, но и эволюционно индивидуализированы, т.е. они могут встречаться у разных видов, и каждый из них имеет свою собственную эволюционную историю. Функция, дифференцировка в ходе развития и эволюционная индивидуализация - это три аспекта одного и того же явления, биологии типов клеток.

Развитие и дифференцировка клеточных типов изучается различными способами уже не менее 200 лет. Однако за последние 20 лет сформировался консенсус, в рамках которого исследовательские группы, работающие над различными системами, предложили очень похожие модели того, как идентичность клеточного типа реализуется на молекулярном уровне. В качестве примера можно привести модель регуляторной сети генов Graf и Enver (2009), модель терминального селекторного гена Hobert (2011), модель ядра Davidson и Erwin (2006) и модель сети качественной особенности персонажей (Wagner 2007). Вкратце, генную регуляторную сеть, которая приводит к дифференциации клеточного типа, можно представить в виде модели с тремя уровнями: индуктивные сигналы, регуляторная сеть из стержневых генов и слой регуляции и экспрессии эффекторных генов (рис. 4). Как упоминалось выше, клетки либо получают сигналы от других клеток, либо наследуют сигнальные продукты в своей цитоплазме от материнской клетки. В любом случае, эти сигналы "сообщают" клетке, какую судьбу она должна принять, чтобы интегрироваться в полностью сформированный организм и выполнять свою функциональную роль. Эти сигналы обычно действуют преходяще, т.е. они имеют критическое значение в течение ограниченного времени в ходе развития. Эти сигналы чаще всего представляют собой полипептиды, такие как TGF (трансформирующий фактор роста) или sonic hedgehog, или небольшие молекулы, такие как стероидные гормоны или простагландины. Затем эти сигналы прямо или косвенно активируют гены основной регуляторной сети. Примерами более или менее прямой передачи сигналов являются стероидные гормоны, которые связываются с так называемыми ядерными рецепторами, то есть белками транскрипционных факторов, которые становятся транскрипционно активными, как только связывают свой лиганд. Непрямая передача сигналов часто включает связывание сигнала рецептором, связанным с мембраной, который, в свою очередь, может активировать более или менее сложный каскад внутриклеточной передачи сигналов, заканчивающийся модификацией белка транскрипционного фактора, который затем либо активируется и транспортируется, либо сохраняется в ядре, либо деградирует и лишается возможности действовать. В качестве примера можно привести так называемые сигнальные молекулы hedgehog, которые связываются с рецептором patched, что приводит в движение внутриклеточный сигнальный каскад, который заканчивается предотвращением протеолитического расщепления белка транскрипционного фактора. Назовем этот слой регуляции слоем передачей сигналов временных импульсов (рис. 4). Определение типа клеток обычно происходит под действием нескольких сигналов, которые либо действуют в тандеме, либо в комбинации для определения идентичности типа клеток. Эти сигналы могут действовать в определенной степени избыточно, что имеет важные последствия для эволюции механизмов определения типа клеток (см. ниже). Биологическая роль сигналов временных импульсов заключается в активации набора генов транскрипционных факторов, которые составляют основную генную регуляторную сеть (рис. 5). Три особенности характеризуют основную сеть. Во-первых, считается, что они образуют петлю положительной обратной связи, которая приводит к стабилизации экспрессии членов основной сети, так что основная сеть может оставаться активной даже после выключения индуктивных сигналов. Эта положительная обратная связь также объясняет, почему экспериментально судьба клетки может быть индуцирована принудительной экспрессией одного или нескольких членов основной сети. Другие члены сети активируются, потому что они активируются в петле положительной обратной связи, которая может быть запущена индукцией (почти) любой части сети. Во-вторых, транскрипционные факторы, продуцируемые генами основной сети, обычно работают кооперативно. Это означает, что они образуют физический комплекс белков транскрипционных факторов, так называемый основной регуляторный комплекс (Arendt et al. 2016), который специфичен для типа клеток. Примером может служить основной регуляторный комплекс двигательных нейронов спинного мозга и так называемых интернейронов V2 (рис. 6). Наконец, основной регуляторный комплекс выполняет две функции, а именно: активирует батареи эффекторных генов дифференцировки, которые формируют физиологический фенотип клетки, и, во-вторых, прямо или косвенно подавляет гены, связанные с альтернативной идентичностью клеточного типа. Набор эффекторных генов, активируемых основной сетью, и их детальная регуляция составляют третий слой модели генной регуляторной сети идентичности клеточного типа. Структура "модели слоеного пирога" качественных особенностей клеточного типа (рис. 4) имеет важные последствия для эволюции развития типов клеток. Первое заключается в том, что три слоя модели имеют очень разные уровни эволюционных преобразований. Верхний слой модели, сигналы преходящих импульсов, эволюционирует с большей скоростью, чем слой основной сети. Это, вероятно, связано с тем, что сигналы преходящих импульсов частично избыточны, это означает, что они могут заменять друг друга, что они и делают.

На Рис. 4 представлена схематическая структура механизмов приобретения качественнх особенностей клеточного типа. Идентичность клеточного типа формируется в процессе развития рядом сигналов, которые активируют основную генную регуляторную сеть. Основная сеть состоит в основном из генов транскрипционных факторов. Продукты генов основной сети затем регулируют так называемые эффекторные гены, которые имеют продукты, выполняющие физиологическую работу, такие как ферменты, белки внеклеточного матрикса и т.д., которые в свою очередь создают функциональный и морфологический фенотип клетки. Три слоя этой сетевой модели имеют разную степень эволюционной сохранности. Сигналы преходящих импульсов могут быть удивительно лабильными, так что гомологичные типы клеток могут быть индуцированы различными сигнальными молекулами у разных видов. Напротив, ядро регуляторной сети, как правило, является наиболее консервативной частью генной регуляторной сети, которая производит клетки определенного типа. Слой эффекторных генов эволюционирует в соответствии с адаптивными потребностями клетки и организма в течение эволюционного времени. Многие примеры дрейфа систем развития (Weiss and Fullterton 2000; True 2001), когда один и тот же тип клеток у разных видов развивается в ответ на разные входные сигналы, обусловлены изменениями на этом уровне генной регуляторной сети. Рис. 5

Продуктами генов в основной регуляторной сети являются белки, которые физически и функционально взаимодействуют, образуя основной регуляторный комплекс или CoRC. Согласно этой модели, CoRC является фактическим молекулярным агентом, регулирующим эффекторные гены, и специфичен для типа клеток, обеспечивая экспрессию специфического для типа клеток набора эффекторных генов. (Рис. 6)

(a) CoRC так называемых интернейронов V2 в спинном мозге курицы состоит из четырех белков факторов транскрипции, по две копии LNI и Lhx3. (b) CoRC двигательного нейрона состоит из шести белков транскрипционных факторов, по две копии LNI, Lhx3 и Isl1. Второй слой, ядерная сеть, обычно гораздо более консервативен и сильно связан с качественными особенностями типов клеток. Некоторые из наиболее впечатляющих примеров сохранения сетей регуляции генов являются ядерными сетями такими, как, например, сеть Pax/eyeless в развитии фоторецепторов (рис. 7). Механистической причиной эволюционной стабильности основной сети в модели слоеного пирога является необходимость кооперативной связи членов основного регуляторного комплекса. Молекулярный кооперативный эффект требует эволюционной коадаптации между членами основного регуляторного комплекса. Функциональная кооперативность требует присутствия и участия всех членов основного регуляторного комплекса, а положительная обратная связь, необходимая для стабилизации экспрессии основной сети, также несовместима с потерей отдельных членов сети. Концептуально, основная сеть и основной регуляторный комплекс являются материальным проявлением абстрактной концепции качественной особенности (идентичности) клеточного типа. Они обеспечивают дифференциальную экспрессию эффекторных генов и тем самым позволяют различным типам клеток иметь разные фенотипы и функции. Но следует также отметить, что ядерная сеть не полностью определяет фенотип клетки, и поэтому у разных видов один и тот же тип клеток может обнаруживать разные фенотипы (см. выше об эволюционном изменении функции одного и того же типа клеток). Наконец, третий слой модели генной регуляторной сети составляют эффекторные гены и их непосредственные регуляторы. Включение гена в этот слой генной регуляторной сети зависит от цис-регуляторных элементов (CRE) гена. Только гены, имеющие CRE, отвечающий основному регуляторному комплексу, будут экспрессироваться в соответствующем типе клеток. Хотя это очевидная истина с механистической точки зрения, данный факт имеет важные последствия для эволюции развития типов клеток. Поскольку экспрессия эффекторных генов зависит от их CRE, одна и та же основная сеть может регулировать различные наборы эффекторных генов у разных видов. Например, мышцы кишечника большинства животных представляют собой гладкомышечные клетки, за примечательным исключением насекомых. У насекомых клетки кишечника поперечнополосатые, как клетки скелетных мышц, но, тем не менее, регулируются тем же набором транскрипционных факторов, что и клетки мышц кишечника других животных (Brunet et al. 2016). Следовательно, модуль для построения поперечнополосатого расположения сократительных белков находится под контролем основного регуляторного комплекса, определяющего идентичность мышечных клеток кишечника. На Рис. 7 пример консервативной основной генной регуляторной сети - сети, определяющей идентичность клеток глаза при развитии насекомых. Набор генов-мишеней может эволюционировать за счет изменений в CRE эффекторных генов без необходимости изменения основной сети. В абстрактных терминах этот механистический факт означает, что качественная особенность клеточного типа, представленная основной сетью и основным регуляторным комплексом, может быть отделена от фенотипа клетки, представленного набором эффекторных генов-мишеней, активируемых основной сетью. Особенности клеточного типа и клеточный фенотип являются эволюционно независимыми переменными. Это, например, объясняет, как "одна и та же клетка" может выполнять разные функции у разных видов, как объяснялось выше в разделе "Форма и функция в Evo-Devo". Модель "слоеного пирога", описанная выше, объясняет процесс определения и конечной дифференциации типа клеток. В сложных организмах, однако, это состояние развития часто достигается через иерархический процесс все более узкого и узкого предопределения судьбы клетки, как объясняется в разделе "Evo-Devo типов клеток". В настоящее время считается, что эпигенетическая модификация ДНК и/или гистонов, связанных с ДНК, отвечает за сужение компетенции развивающихся клеток. Метилирование ДНК и метилирование гистонов приводит к тому, что части генома становятся недоступными для экспрессии генов. Следствием этого факта является то, что влияние сигнальных молекул на определение судьбы клетки зависит как от присутствующих сигналов, так и от истории клеток, которые подвергаются воздействию этих сигналов. История клетки записана в виде эпигенетических модификациях генома и хроматина (Feng et al. 2010).

Как уже упоминалось во введении к этой главе, число типов клеток увеличивалось в ходе эволюции животных и растений, в значительной степени коррелируя с усложнениями планов тела. Процессы, ответственные за это увеличение числа типов клеток, известны не полностью, но наиболее широко поддерживаемой моделью является так называемая модель сестринского типа клеток (Arendt 2008). Эта модель инициирована тем фактом, что во многих анатомически более простых организмах клетки имеют тенденцию быть многофункциональными, как эпителиально-мышечные клетки, о которых говорилось выше. Основная идея заключается в том, что новые типы клеток возникают в результате дифференциации многофункционального родоначального типа клеток, давая начало двум новым клеткам. Таким образом, согласно этой модели, типы клеток образуют разветвляющееся дерево эволюционных связей (рис. 2). Следствием этой модели является то, что разные типы клеток в одном организме являются серийными гомологами с разной степенью родства, подобно разным генам в геноме, возникшем путем дупликации генов (Wagner 2014; Musser and Wagner 2015). Модель сестринских типов клеток можно представить в виде набора вложенных эволюционных деревьев, как показано на рис. 8a. Существует древовидная связь между видами, в данном примере показанная для трех видов. В это древо видов вложены древовидные структуры зарождения и происхождения различных типов клеток, точно так же, как генные деревья для удвоенных генов можно рассматривать как вложенные в древо видов. Когда мы выстраиваем древо клеточных типов из древа видов (рис. 8b), мы получаем древо, отражающее эволюционные отношения между клеточными типами у разных видов, а также внутри каждого вида. Это древо называется древом клеточных типов.

Модель сестринского типа клеток является правдоподобным сценарием происхождения типов клеток и может объяснить, например, высокую степень иерархического сходства в паттернах экспрессии генов (Liang et al. 2015). Однако это не единственный мыслимый способ возникновения клеточного типа. Можно также представить себе сценарий, при котором новый тип клеток возникает в результате объединения модулей генных регуляторных сетей из различных предковых типов клеток (Arendt et al. 2016). В настоящее время нет убедительных доказательств в поддержку этого способа эволюции, но исследователи эволюции развития должны знать об этой альтернативной модели. Частым источником путаницы является связь между деревьями развития клонов и деревьями эволюции типов клеток. Деревья развития клонов отражают родство развития различных клеток в течение жизни индивидуума. Лучшими документально подтвержденными примерами являются клеточные линии у червей нематод (рис. 3) и расщепление во время раннего развития так называемых спиралевидных животных, таких как моллюски. С другой стороны, иерархии типов клеток, подобные тем, что изображены на рис. 2, представляют эволюционный процесс возникновения типов клеток. Например, три основных типа мышечных клеток у билатеральных животных - скелетные, кишечные и сердечные мышцы - имеют эволюционную связь, в которой кишечные и сердечные мышцы более тесно связаны друг с другом, чем со скелетными мышцами (Brunet et al. 2016). На это указывает различное эмбриологическое происхождение, а также наличие отличающихся основных комплексов транскрипционных факторов, CoRC, определяющих идентичность типов клеток. У хордовых скелетные мышцы возникают из сомитов, а мышцы кишечника и сердца - из несегментированной вентральной мезодермы. Клетки скелетных мышц имеют CoRC, включающий MyoD, E12, MASTR и SRF/MEF2, а CoRC клеток кишечника и сердца содержит миокардин и паралоги транскрипционных факторов семейств FOX, Nkx и GATA (Brunet et al. 2016). Сложность возникает потому, что онтогенетические и филогенетические связи могут быть совпадающими (конгруэнтными), т.е. формировать один и тот же рисунок древа, но они не обязательно должны быть одинаковыми и одинаковыми с Видовым деревом со встроенными деревьями клеточных типов A B Дерева клеточных типов (Рис. 8)

(a) Гипотетическое видовое древо для трех видов, при этом в видовое древо встроена эволюционная история типов клеток. Обратите внимание, что это древо в древе, т.е. предполагается, что новые типы клеток возникают в процессе расщепления типов клеток, когда предковый тип клеток дает начало двум новым сестринским типам клеток. (b) То же древо типов клеток, что и в A, только извлеченное из древа видов, показывающее филогенетические отношения между клетками и типами клеток от разных видов, а также одного вида. Эти представления похожие на генное древо генов из геномов разных видов. (Воспроизведено из Arendt 2008, с разрешения Springer Nature) концептуально различны. Существует несколько доказательств, которые демонстрируют расхождения (decoupling) между онтогенетическими и филогенетическими деревьями типов клеток. Одно из них связано с тем, что один и тот же набор типов клеток может возникать на разных онтогенетических деревьях клеточных линий. Это лучше всего видно на примере различных видов червей нематод, уже упомянутых выше и проиллюстрированных на рис. 3 (Rudel and Summer 2003; Sommer 2005). Если не предположить, что одни и те же клетки независимо эволюционировали в разных линиях нематод, то онтогенетические клеточные клоны не могут соответствовать эволюционному древу типов клеток, по крайней мере, не все из них. Другой факт заключается в том, что даже в пределах одного вида один и тот же тип клеток может дифференцироваться из разных клеток-предшественников, как объяснялось выше, и поэтому не все эти отношения между линиями могут также отражать эволюционную историю этих клеток. Другой пример - развитие колбочковых и амакринных клеток в сетчатке. Колбочки - это функциональные фоторецепторные клетки, а амакринные клетки - интернейроны. Оба типа клеток в процессе развития происходят от общей клетки-предшественника, то есть являются сестринскими клетками, но имеют мало общего. Амакринные клетки больше похожи на другие GABA-ергические ингибирующие нейроны и эволюционно могут быть больше связаны с механорецепторами, чем с фоторецепторами и биполярными клетками. В целом, эволюционная история типов клеток известна гораздо хуже, чем, скажем, история семейств генов или эволюционные отношения между анатомическими частями тела, которые изучались с самого начала эволюционной сравнительной анатомии. Причина в основном техническая. Без сложных геномных, транскриптомных и иммунобиологических методов (выявляющих "молекулярные отпечатки" типов клеток) очень трудно надежно различать различные типы клеток и идентифицировать их у разных видов, где они могут выполнять разные функции и, следовательно, иметь разную морфологию. Кроме того, сравнительная биология клеточных типов требует понимания молекулярных механизмов, лежащих в основе идентичности клеточных типов, и того, как фенотипические характеристики клеточных типов могут быть отделены от качественных особенностей клеточных типов. С этими двумя достижениями в руках эволюция развития клеточных типов - это область, готовая к дальнейшему развитию.

Сравнение экспрессии генов у разных типов клеток и видов показывает, что эволюционная индивидуализация, то есть способность одного типа клеток развивать фенотип, отличный от фенотипа других типов клеток того же вида, не связана с полной независимостью эволюции экспрессии генов (Musser and Wagner 2015). Когда профили экспрессии генов двух гомологичных типов клеток сравниваются между двумя видами, то два типа клеток одного вида имеют тенденцию быть более похожими, чем каждый из них на соответствующий тип клеток другого вида. Это неожиданно, поскольку два клеточных типа филогенетически старше, чем два сравниваемых вида (это так, поскольку мы предполагаем, что два клеточных типа гомологичны между двумя видами). Поскольку типы клеток имеют более длительную независимую историю, чем соответствующие клетки двух видов, можно было бы ожидать, что два типа клеток одного вида более дивергентны, чем соответствующие типы клеток разных видов. Зачастую это не так. Это объясняется наблюдением, что экспрессия генов в различных типах клеток коэволюционирует. Коэволюция экспрессии генов, скорее всего, вызвана тем, что некоторая часть регуляторных сетей генов этих двух клеток является общей, и поэтому некоторые мутации, влияющие на экспрессию генов в одном типе клеток, могут иметь аналогичный эффект в другом типе клеток (Liang et al. 2018).