Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 147: коннектом червя, половые различия

14 июля 2019

Нематода Caenorhabditis elegans– один из самых популярных модельных объектов не только нейробиологов, но и биологов вообще. С помощью этого довольно примитивно устроенного червя ученые смогли разобраться в механизмах программируемой клеточной гибели, ответить на многие вопросы биологии развития, поведения и других областей биологии. И вот, наконец, получилось полностью расшифровать его коннектом, о чем исследователи рассказали в журнале Nature. Точнее, два коннектома: обоих полов.

Граф коннектома гермафродита

Одно из самых замечательных свойств этого червя, которого совсем нетрудно выращивать в лаборатории – постоянство клеточного состава (эутелия). В теле самцов во взрослом состоянии всегда насчитывается ровно 1031 клетка, а гермафродитов – 959 клеток, из которых 302 – это нейроны (самок у C. elegans нет). За годы изучения ученые смогли проследить судьбу буквально каждой клетки червя в ходе эмбрионального развития.

Жестко фиксированное число нейронов у C. elegans и относительная простота устройства его нервной системы открывают перед учеными заманчивую возможность сконструировать так называемый коннектом его нервной системы, то есть установить для каждого нейрона, с какими другими нервными клетками он связан. Авторы сумели построить полные коннектомы для особей C. elegans обоих полов – и самцов, и гермафродитов.

Коннектомы червей были реконструированы на основании серий электронных микрофотографий, на которых запечатлены срезы тела червя на разных уровнях. Однако, «покрыть» с помощью серий срезов все тело даже такого простого организма, как круглый червь, нельзя, и для заполнения «белых пятен» на карте нейронов C. elegans использовался принцип экстраполяции.

Весь организм червя был представлен как граф из 460 узлов (в случае гермафродита) или 579 узлов (в случае самца), где каждый узел – это нейрон, мышечная клетка или клетка другой природы. Ребра, соединяющие вершины такого необычного графа – это синапсы: химические или электрические, причем, их число также четко фиксировано в случае обоих полов.

Коннектом мужской особи

Оказалось, что между строением нервной системы у червей мужского пола и гермафродитов существует ряд отличий, заключающихся не только в разнице между числом нейронов и синапсов, но и функциональных различиях. Во-первых, цепочки нейронов, ответственных за половое поведение, у разных полов устроены совершенно по-разному. Во-вторых, различия затрагивают и те участки нервной системы, которые отвечают за процессы, общие для обоих полов: значительная доля синапсов в таких цепочках нейронов различается по силе в зависимости от пола.

Помимо идентификации межполовых различий авторы исследования сделали еще ряд важных открытий касательно строения и физиологии такого, казалось бы, вдоль и поперек изученного организма, как C. elegans. Так, им удалось описать особую группу мотонейронов (так называемые сублатеральные моторные нейроны), выявить интернейроны в центральной нервной системе червя, а также интернейроны, связывающие между собой разные уровни в иерархически организованной нервной системе животного.

Кроме того, ученые смогли охарактеризовать доселе плохо изученные контакты между нейронами и немышечными структурами, такими как гиподерма (покровная система червя). Будем надеяться, что столь детальная карта нервной системы C. elegans и огромное количество новой информации о ее строении и функционировании, которую сумели добыть авторы этого масштабного исследования, помогут в использовании червя как модельного организма для изучения различных заболеваний нервной системы.

Текст: Елизавета Минина

Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes by Steven J. Cook et al. in Nature. Published July 2019

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1352-7

Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте, Яндекс-Дзен, Одноклассниках и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.