Биологи исследовали жизненный цикл морского желудевого червя Schizocardium californicum и обнаружили, что при превращении личинки во взрослое животное происходит масштабная переделка программ работы клеток. Они не просто отмирают и не заменяются новыми, а переключаются на другой набор генов, приобретая свойства взрослого организма.

Учёные проанализировали 87 тысяч клеток на разных стадиях развития червя и определили активность генов в каждой из них. Получилась карта 56 клеточных типов, объединённых в 12 крупных классов: нервные, мышечные, иммунные, эпителиальные и пищеварительные клетки.

Сравнение личиночной и взрослой стадий показало неожиданное: нервные клетки личинки по молекулярному профилю часто больше походили на клетки кишечника той же личинки, чем на нервные клетки молодого червя. Значит, при превращении меняется не несколько отдельных генов, а большая часть рабочей программы клетки целиком.

Клетки мезодермы, включая мышечные, вели себя иначе: их молекулярный профиль оставался относительно стабильным до и после метаморфоза. Процесс превращения сочетает разные механизмы одновременно: часть клеток сохраняет свой тип, часть исчезает, а некоторые получают новую клеточную судьбу.

Чтобы проверить, переживают ли личиночные клетки саму трансформацию, исследователи пометили делящиеся клетки и наблюдали за ними после метаморфоза. Часть помеченных клеток сохранилась спустя 43 дня. У молодых червей их нашли в хоботке, воротничке и вдоль спинной стороны. Некоторые клетки, отмеченные на личиночной стадии, позже начали вырабатывать маркеры нервных клеток взрослой особи.

Результаты указывают на переделку клеточной программы, но полностью не доказывают, что большинство конкретных личиночных клеток прямо превращаются в другой тип. Для точного ответа нужны эксперименты, которые позволят проследить путь отдельных клеточных линий. Возможны оба варианта: потеря прежней специализации с последующим приобретением новой или прямое переустройство одного клеточного типа в другой.

Schizocardium californicum удобен для изучения такой перестройки благодаря резкой разнице между двумя жизненными этапами. Прозрачная личинка размером около 0,1 мм несколько месяцев плавает в толще воды на ресничках и питается фитопланктоном. После превращения тело вытягивается до 3–4 мм, животное переходит к жизни на дне, формирует хоботок, воротничок, жаберные структуры и новую нервную систему.

До сих пор наука о развитии опиралась в основном на животных, у которых основные части взрослого тела закладываются ещё в зародыше. У множества морских беспозвоночных жизненный цикл другой: личинка и взрослая форма различаются настолько, что перестройке приходится затрагивать почти весь организм. Новые данные показывают, что метаморфоз меняет не только форму тела, но и саму молекулярную идентичность клеток.

Авторы предполагают, что такая пластичность может быть намного более частой у животных с непрямым развитием, чем считалось прежде. Клеточная специализация в этом случае не всегда конечное состояние: некоторые зрелые клетки сохраняют способность радикально менять свою программу без полного разрушения ткани и перестройки организма с нуля.