Двенадцать модельных организмов

Привет! Меня зовут Сергей Мошковский. Дорогая редакция «Биомолекулы», выпустив настенный календарь о модельных организмах на 2020 год, заказала было мне лонгрид, который должен был, как суровый конвой, сопровождать календарь на сайте. Минутная слабость — сколько их было в жизни! — и я уже соглашаюсь. Но как писать? Ведь о каждой модельной скотинке, нарисованной на календаре, — как и о нескольких десятках не поместившихся туда, — написаны тома научной и даже популярной литературы. Придется писать не по-журналистски, из головы — как бы не вышло чего-то вроде поэмы «Москва — Петушки», где вместо станций — модельные организмы. Я и еще несколько авторов представляем вам на суд собранье пестрых глав — они будут выходить в течение всего 2020 года. Читатель, прости! Ты знаешь, кого за это винить!

Толстые провода — Ученые из непростых семей — Съедобная модель — Большому слизню — большие нейроны — Живая микросхема — Ядовитые конусы

Моллюски — крупнейший тип беспозвоночных, по биоразнообразию уступающий только членистоногим. Организмы этой группы уже 500 миллионов лет процветают в морях и чуть меньше на суше. Представителей типа, содержащих три больших класса — головоногих, брюхоногих и двустворчатых, — объединяет наличие особого анатомического образования — мантии, в полости которой находятся жизненно важные органы. Также для большинства видов характерна раковина из органического каркаса, укрепленного карбонатом кальция. А для нашего интереса к модельным организмам в моллюсках важно другое — особенности эволюции их нервной системы. Если во многих группах животных усовершенствование нервной системы происходит за счет увеличения числа элементов — нейронов, — то у моллюсков произошло укрупнение самих нервных клеток и их отростков. Вот поэтому эти гигантские клетки привлекли внимание экспериментаторов: с ними гораздо проще работать, чем, например, с небольшими по размеру нейронами насекомых или млекопитающих.

Нервы как канаты

Кальмары движутся по реактивному принципу, мощно выталкивая струю воды из мантийной полости. Мышечный аппарат, выполняющий эту работу, иннервируется гигантским аксоном — эфферентным (то есть центробежным) отростком гигантской же нервной клетки — нейрона. Уточним, что гигантский аксон — это тяж диаметром от половины до полутора миллиметров.

Внимание нейрофизиологов к этому объекту в обыкновенном кальмаре (Loligo vulgaris) привлек в 1930-е годы авторитетный британский зоолог Джон Захария Янг. Спустя пару десятилетий физиологи Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Филдинг Хаксли, экспериментируя с гигантским аксоном длинноперого кальмара (Doryteuthis pealeii), создали модель распространения по нему потенциала действия (то есть нервного импульса). Электровозбудимые клетки характеризуются зарядом на мембране — потенциалом покоя [1], поддерживаемым за счет различия в концентрациях ионов вне и внутри клетки. В самом простом представлении, концентрация ионов натрия во внеклеточном пространстве выше, чем внутри клетки, а с ионами калия — всё наоборот. Такое состояние поддерживается активно: клетка тратит на это энергию. При приложении к возбудимой клетке электрического напряжения выше порогового значения открываются потенциал-чувствительные ионные каналы — специально сконструированные для этого эволюцией трансмембранные белковые комплексы. Сопротивление мембраны преодолевается, и поток ионов натрия устремляется внутрь клетки — возникает и распространяется более амплитудный, чем потенциал покоя, потенциал действия . Ходжкин и Хаксли выделяли гигантский аксон кальмара, в который они могли поместить неуклюжие и большие электроды того времени, и моделировали процесс передачи сигнала. Эти эксперименты — классическое использование модельного объекта, когда экспериментаторам совершенно неважно, откуда они получили аксон, лишь бы он был совместим с доступными экспериментальными условиями.

Подробнее о потенциале действия, аксоне кальмара, электродах и экспериментах с ними можно прочитать в статье «Нейробиология» [2] нашего цикла «12 методов в картинках».

Использовав результаты измерений электрохимических параметров передачи импульса на гигантском аксоне и предложив электрическую схему этого объекта, Ходжкин и Хаксли создали математическую модель передачи электрического сигнала в нервной системе, в целом верно описывающую этот процесс (рис. 1) [3]. Модель стала одним из примеров, когда биология успешно конвертировалась в точную науку, к чему она с разной степенью успешности стремится до сих пор. Впоследствии модель уточняли — первоначально в ней были только переменные, относящиеся к токам натрия и калия. Исследователям повезло: аксон моллюска не имеет миелиновой оболочки, характерной для нервной ткани челюстных позвоночных, — непроводящего слоя с проводящими перемычками. Наличие этой оболочки ускоряет передачу сигнала, но могло бы усложнить создание модели.

Ходжкин и Хаксли — исследователи из непростых семей. Дедом Эндрю Хаксли, как это ни парадоксально звучит, был Томас Гексли (1825–1895), сподвижник Дарвина, прозванный даже его «бульдогом» за яростную защиту эволюционизма. Один из старших братьев нейрофизиолога — знаменитый писатель Олдос Хаксли. Самой известной его книгой считается антиутопия «О дивный новый мир», воплощение многих эпизодов которой в реальность мы можем наблюдать в наши дни. Одним из предков Алана Ходжкина был знаменитый английский врач Томас Ходжкин (1798–1866), чье имя запечатлено в открытом им заболевании крови — лимфоме Ходжкина.

Традиция транслитерации английских фамилий была разной в XIX и XX веках, отсюда и это анекдотичное разночтение. Почему, как недавно было сказано, доктор — Ватсон, а Эмма — Уотсон?

Ходжкину и Хаксли было, в общем, не важно, чей аксон они использовали в своей работе. А между тем кальмары рода Loligo, как и все головоногие моллюски в целом, очень примечательные существа. Эта рано обособленная группа моллюсков может по праву считаться одной из вершин эволюции беспозвоночных. Среди головоногих известны виды, отличающиеся необычайно сложным поведением. Мой друг, морской биолог, например, не ест осьминогов, считая их «приматами моря» [4]. Кстати, нужно заметить, что кальмар лолиго — единственный съедобный и промысловый вид в нашем календаре. Конечно, грызуны и приматы тоже временами употребляются в пищу человеком, но не в таком масштабе.

Возникает закономерный вопрос: почему аксон кальмара гигантский, а у кошки, например, или собаки — такого нет? Это объясняется общим стилем морфологии нервной системы моллюсков. Ее функциональность обеспечивается не умножением числа нервных клеток, а увеличением их размера. Например, по огромным отросткам нейронов скорее передается сигнал.

Слизень размером с зайца

Особо крупные нейроны характерны и для следующего модельного объекта, нарисованного на странице календаря (а страница эта приведена на рисунке 4), — морского слизня калифорнийской аплизии. Слизни и улитки — это, как известно, брюхоногие моллюски. В школьном учебнике, кажется, жил большой прудовик — пресноводная легочная улитка, вернувшаяся к водному образу жизни. «А что, бывают морские улитки и слизни?» — спросят московские дети. На самом деле брюхоногих моллюсков, по разным оценкам, от 15 до 25 тысяч видов, из них более двух третей — морские [5]. При этом, для сравнения, млекопитающих насчитывается не более 5,5 тысяч видов. Аплизия — это род крупных брюхоногих моллюсков с редуцированной раковиной, которых также называют морскими зайцами. Средиземноморские аплизии известны с античности, и именно у них в начале прошлого века обнаружили примечательные особенности строения нервной системы [6]. Самые крупные представители рода достигают огромных размеров. Например, Aplysia vaccaria с тихоокеанского побережья Северной Америки может достигать до 1 м в длину и до 15 кг веса. Другой родственный вид — калифорнийскую аплизию (Aplysia californica) — научились держать в морских аквариумах, условия которых она хорошо переносит. К тому же травоядных аплизий проще кормить в неволе, чем хищные виды моллюсков.

В девяти ганглиях центральной нервной системы аплизии содержится не более 20 тысяч нейронов, причем они достигают сравнительно большого размера. Например, нейрон под обозначением R2, по выражению исследователей, имеет гаргантюанский размер — он достигает 1 мм в диаметре, что соответствует величине целого мозга мушки дрозофилы. Кстати, нервная система этого модельного насекомого содержит примерно 135 тысяч нейронов! Как я уже говорил в рассказе о кальмаре, стратегия моллюсков заключается не в умножении числа элементов в нервной системе, а в увеличении их размера. Отмечается, что каждый гигантский нейрон аплизии способен работать в различных режимах, как нервный узел [6].

Гаргантюа — огромный и добрый обжора, герой сатирического романа французского писателя XVI века Франсуа Рабле «Гаргантюа и Пантагрюэль».

Это свойство сделало брюхоногих моллюсков прекрасной моделью для подведения электродов к отдельным нейронам. Их можно было стимулировать и регистрировать их возбуждение во время таких важных механизмов работы нервной системы, как обучение, краткосрочная и долгосрочная память. Аплизия выступала как живая микросхема, которую можно перепаивать с помощью электродов. Многие нейроны ее ганглиев морфологически и функционально картировали, в связи с чем получили постоянные буквенные обозначения.

Выдающийся вклад в исследование рефлексов аплизии внес австро-американский нейробиолог Эрик Кандель. В частности, он подробно изучил работу отдельных нейронов во время осуществления рефлекса втягивания жабры моллюска (рис. 2) [7]. Здесь аплизия выступала настоящей моделью — позднее многие принципы работы ее нервных контуров подтвердились в инструментально более сложных опытах на позвоночных.

Советская нейробиология, по понятным причинам, имела ограниченный доступ к калифорнийским аплизиям. Поэтому модельным организмом в нашей стране традиционно выступает более простой в содержании наземный моллюск — виноградная улитка (Helix pomatia). На этом объекте воспроизвели и дополнили многие исследования [8], проведенные на аплизии. Отличие, выгодное для исследования аплизии, касается тех случаев, когда к классической нейрофизиологии добавляются молекулярные исследования: морской заяц — один из немногих брюхоногих моллюсков с хорошо изученным (хотя все равно не до конца отсеквенированным) геномом. Геномы этих беспозвоночных с трудом подлежат расшифровке — они содержат много повторов, и обычные инструменты, отработанные на геномах других групп, часто не срабатывают.

Интересная особенность гигантских нейронов аплизии и других улиток — невероятная выраженность полиплоидии. Геном этих клеток в процессе развития претерпевает эндомитоз — умножается в ядре без деления всей клетки. Кажется фантастикой, но гигантский нейрон R2 может содержать до 600 тысяч единичных геномов! По-видимому, правильное функционирование огромного нейрона с такими же гигантскими отростками требует использования множества копий генома. Кроме того, предполагают, что это защищает неделящиеся клетки от накопления соматических мутаций: делаются своего рода резервные копии генома.

Мир брюхоногих моллюсков затягивает, хочется думать и писать о них бесконечно. Для человека важна еще одна огромная группа морских улиток — надсемейство конусовидных (Conoidae) с шестью тысячами описанных видов (рис. 3) [9]. Конусы ведут хищный образ жизни, и некоторые из них способны убивать жертву ядом. Роговая терка — радула — в их ротовой полости превратилась в хищный зуб-гарпун, который резко выбрасывается, вонзаясь в тело жертвы и впрыскивая яд из специальной железы (см. видео). Последний содержит коктейль нервно-паралитических токсинов белковой природы, в основном, ингибирующих ионные каналы в нервных клетках жертвы. Крупные рыбоядные конусы, например, Conus geographicus с побережья Филиппин, способны укусить человека, иногда даже со смертельным исходом. Токсины, особенно, способные действовать на человека, привлекают не только зоологов, но и разработчиков лекарств . Например, один из пептидов-конотоксинов яда большого конуса Conus magus стал прототипом нового обезболивающего препарата — зиконотида (торговое название — «Приалт»), доступного для пациентов с 2005 года. Искусственный конотоксин вводят в спинномозговую жидкость, что неудобно, но зато он действует в тысячу раз сильнее морфина и не вызывает пристрастия.

Подобные смеси токсинов невероятно привлекают исследователей. В частности, изучают их и в Институте биоорганической химии РАН, рассматривая конотоксины как высокоспецифичные лиганды ацетилхолиновых рецепторов никотинового типа. В этих исследованиях принимают участие и теоретики, с помощью компьютерных расчетов предсказывая мутации в этих небольших пептидах, еще более повышающие их сродство к своим рецепторам [10].

Молекулярные исследования конусов осложняются традиционной для моллюсков проблемой, о которой я уже упоминал, — очень сложными для секвенирования геномами с огромным количество повторов. Биоинформатики, которые пытаются собрать их целые последовательности из отдельных считываний секвенаторов, в сердцах называют ДНК конусов «геномами из ада».

Остановите меня кто-нибудь! Я хочу и дальше писать о брюхоногих моллюсках! Скажу напоследок, что в мире есть много увлеченных коллекционированием их раковин людей — конхиофилов. Некоторые из них так преуспевают в этом деле, что становятся зоологами-любителями, или, как называют специалистов по моллюскам, — малакологами, описывают новые виды и финансируют научные экспедиции. Вот такая популяризация науки получается.

Благодарность

Автор признателен своему другу — исследователю ядовитых конусов Александру Федосову (Институт проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова), который рассказал много интересного о морских брюхоногих моллюсках и предоставил оригинальное фото собственных сборов раковин с Филиппин.

Литература

1. Формирование мембранного потенциала покоя;
2. 12 методов в картинках: нейробиология;
3. A. L. Hodgkin, A. F. Huxley. (1952). A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. The Journal of Physiology. 117, 500-544;
4. Сай Монтгомери: «Душа осьминога: Удивительное путешествие в тайны сознания». Рецензия;
5. Philippe Bouchet, Jean-Pierre Rocroi, Bernhard Hausdorf, Andrzej Kaim, Yasunori Kano, et. al.. (2017). Revised Classification, Nomenclator and Typification of Gastropod and Monoplacophoran Families. Malacologia. 61, 1-526;
6. Leonid L. Moroz. (2011). Aplysia. Current Biology. 21, R60-R61;
7. E. R. Kandel. (2001). The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialogue Between Genes and Synapses. Science. 294, 1030-1038;
8. Pavel M. Balaban, Alia Kh. Vinarskaya, Alena B. Zuzina, Victor N. Ierusalimsky, Aleksey Yu. Malyshev. (2016). Impairment of the serotonergic neurons underlying reinforcement elicits extinction of the repeatedly reactivated context memory. Sci Rep. 6;
9. Jawad Abdelkrim, Laetitia Aznar-Cormano, Alexander E Fedosov, Yuri I Kantor, Pierre Lozouet, et. al.. (2018). Exon-Capture-Based Phylogeny and Diversification of the Venomous Gastropods (Neogastropoda, Conoidea). Molecular Biology and Evolution. 35, 2355-2374;
10. Igor E. Kasheverov, Anton O. Chugunov, Denis S. Kudryavtsev, Igor A. Ivanov, Maxim N. Zhmak, et. al.. (2016). High-Affinity α-Conotoxin PnIA Analogs Designed on the Basis of the Protein Surface Topography Method. Sci Rep. 6.