Эволюция нейроглии. Часть 1: нейроглия беспозвоночных

Большая часть информации о клетках глии, которая пишется на страницах учебников и последних научных статей в топовых журналах, была получена при исследовании нервной системы млекопитающих. Однако нервная система есть далеко не только у млекопитающих, и глия присутствует, разумеется, и у других животных, причем устроена она зачастую совершенно не так, как мы привыкли думать.

Нематода C. elegans


Клетки, похожие на глиальные, в ходе эволюции появились, по-видимому, у плоских червей. Нервная система плоских червей представлена двумя крупными церебральными ганглиями, от которых отходят два продольных нервных ствола с более мелкими ганглиями. По крайней мере, у двух плоских червей, Fasciolahepatica (печеночный сосальщик) и Notoplanaacticola, в церебральных ганглиях наряду с нейронами имеются особые поддерживающие клетки, которые можно рассматривать как примитивную нейроглию. Эти клетки по форме близки к клеткам мезенхимы и имеют длинные отростки, которые словно «обволакивают» пучки аксонов. Вероятно, примитивная глия плоских червей, не имеющих полости тела, образуется из заполняющей тело паренхимы, а отростчатую форму эти клетки приобретают позже, в ходе взаимодействия с элементами нервной системы. В некоторых глиальных клетках плоских червей имеются многочисленные включения гликогена, поэтому, возможно, эти клетки также снабжают нейроны «топливом».

У нематоды Caenorhabditis elegans, излюбленного модельного объекта нейробиологов и биологов вообще, глиальные клетки изучены вдоль и поперек. У этого червя имеется 50 глиальных клеток эктодермального происхождения и шесть глиальных клеток мезодермального происхождения (нейронов в его теле насчитывается 302; для C. elegans, как и для многих нематод, характерна эутелия – видоспецифичное количество клеток, образующих тело взрослой особи).

Морфологически глиальные клетки нематоды сильно отличаются от нейронов, однако они не экспрессируют ни один из белков-маркеров разных видов глиальных клеток млекопитающих. 46 из 56 глиальных клеток C. elegansвходят в состав сенсорной системы и образуют вместе с отростками нейронов сенсорные органы, известные как сенсиллы. Четыре клетки глии мезодермального происхождения входят в состав нервного кольца – своего рода «мозга» червя, которое расположено в передней части тела. Передние отростки этих клеток формируют сенсиллы вокруг рта животного, а задние окружают нервные волокна в составе центрального нервного кольца.

Глиальные клетки кольца участвуют в развитии и морфогенезе нейронов и поддерживают функционирование синапсов. Оставшиеся глиальные клетки мезодермального происхождения обеспечивают связь нейронов с миоцитами и образуют уникальную для C. elegansгруппу глиальных клеток. Они связывают между собой нервное кольцо и мышцы глотки, располагаясь между нейронами и миоцитами наподобие начинки в сэндвиче и регулируя движения глотки животного во время питания. И с нейронами, и с миоцитами эти глиальные клетки связаны посредством щелевых контактов (щелевые контакты между глией и нейронами, помимо беспозвоночных, выявлены, в частности, в развивающейся нервной системе млекопитающих).

Основные виды глии нематоды C. elegans. Отмечена глия, входящая в состав нервного кольца (sheathglia), глия, функционирующая в составе сенсорных органов (socketglia), а также глия, связывающая нейроны и миоциты (GLRglia). На врезках изображены строение сенсиллы нематоды и схема контактов между нейроном, глиальной клеткой и мышечной клеткой. Credit:Verkhratsky A.et al. / Advances in Experimental Medicine and Biology 2019


Любопытно, что в отсутствие глии C. elegans может жить, хотя и испытывает множество морфологических, сенсорных и поведенческих дефектов. Стоит отметить, что глия червя по многим параметрам существенно отличается от глии млекопитающих. Помимо того что у червя глиальные клетки не экспрессируют молекулярных маркеров глии млекопитающих, они лишены внутриклеточных депо кальция, и все кальциевые токи обеспечиваются входом ионов кальция в клетку извне через специальные каналы в мембране. Однако, как ни удивительно, молекулярные механизмы, контролирующие развитие и дифференцировку клеток глии, у C. elegans и млекопитающих схожи.

Например, для развития глиальных клеток у червя, как и у млекопитающих, необходим транскрипционный фактор LIN-26, в отсутствие которого глиальные клетки превращаются в нейроны. Гомеостатические функции глиальных клеток червя достоверно не установлены; возможно, они поддерживают на нужном уровне концентрацию ионов калия во внеклеточной среде и поглощают молекулы нейромедиаторов из синаптической щели. Тем не менее, установлено, что они модулируют активность нейронов, образуют обкладку нервных волокон, регулируют размер и морфологию сенсорных окончаний, а также играют важную роль в развитии нервной системы в ходе онтогенеза.

У дождевого червя Eisenia fetida, относящегося к типу кольчатых червей, глиальные клетки можно подразделить на несколько видов:

  • клетки нейрилеммальной глии имеют продолговатую форму и длинные отростки;
  • клетки субнейрилеммальной глии – мелкие, веретеновидные, несут немногочисленные отростки;
  • клетки поддерживающей-питающей глии окружают тела нейронов и экспрессируют глиальный фибриллярный кислый белок – молекулярный маркер астроцитов млекопитающих;
  • вокруг гигантских аксонов обвиваются особые глиальные клетки, формирующие изолирующую оболочку нервного волокна.

Мембраны клеток глии у дождевого червя располагаются очень близко к мембранам нейронов, формируя подобие межклеточных контактов, которые, возможно, участвуют в транспорте веществ от глиальных клеток к нейронам. Кроме того, в телах глиальных клеток часто обнаруживаются сложные везикулярные структуры, которые указывают на возможность секреции клетками каких-то веществ.

У другого хорошо изученного кольчатого червя – медицинской пиявки (Hirudo medicinalis) – каждый из 21 ганглиев включает ровно десять глиальных клеток. Две глиальные клетки формируют обкладку аксонов, шесть глиальных клеток окружают тела нейронов, и еще две гигантские глиальные клетки, тела которых достигают 100 мкм в диаметре, располагаются в сердцевине ганглия. Отростки гигантских глиальных клеток имеют длину около 350 мкм и интенсивно контактируют с дендритами нейронов. Иногда они даже проникают внутрь тел нейронов и образуют структуры, известные как трофоспонгии.

Примечательно, что глиальные клетки пиявки соединены друг с другом щелевыми контактами, сформированными белками иннексинами, и потому формируют настоящий функциональный синцитий (аналогичные щелевые контакты соединяют кардиомиоциты миокарда млекопитающих). У пиявки также имеются клетки микроглии, которые обеспечивают локальную иммунную защиту в ганглиях в ответ на повреждения тела.

Глиальные клетки, окружающие тела нейронов, и гигантские клетки по функциями примерно соответствуют астроцитам млекопитающих и играют гомеостатическую роль. В частности, клетки обкладки тел нейронов контролируют внеклеточную концентрацию ионов калия. Мембраны гигантских глиальных клеток обладают повышенной проницаемостью к ионам калия, поэтому на них поддерживается устойчивая гиперполяризация с потенциалом покоя около — 75 мВ.

Кроме того, гигантские глиальные клетки несут рецепторы к многим нейромедиаторам, в том числе ионотропные рецепторы глутамата, ацетилхолина и серотонина, а также метаботропные рецепторы глутамата, серотонина, миомодулина и, вероятно, пуринорецепторы типа P2Y и аденозиновые рецепторы. Эти клетки несут транспортеры для многих ионов и регулируют тканевой pH, а за счет транспортеров серотонина и ацетилхолина могут поглощать нейромедиаторы из синаптической щели и в дальнейшем осуществлять их катаболизм. Также гигантские глиальные клетки изменяют мембранный потенциал в соответствии с активностью нейронов и генерируют внутриклеточные кальциевые токи, однако, в отличие от глии млекопитающих, ионы кальция при этом не высвобождаются из внутриклеточных депо, а проникают в клетку извне через мембранные кальциевые каналы, подобно тому, как это происходит у C. elegans.

Строение ганглия пиявки с указанием основных видов глиальных клеток. Credit:Verkhratsky A.et al. / Advances in Experimental Medicine and Biology 2019

У насекомых нейроглия хорошо выражена. В частности, у плодовой мушки Drosophilamelanogasterна долю глии приходится около 10 процентов клеток мозга. Глиальные клетки дрозофилы принято подразделять на следующие классы:

  • глия периферической нервной системы, образующая оболочку нервных волокон;
  • поверхностная глия, образующая барьер между нейронами и гемолимфой (подобие ГЭБ у млекопитающих). Поверхностную глию также подразделяют на периневральную глию (мелкие клетки, лежащие на поверхности ганглиев), и субпериневральную, или базальную глию (крупные уплощенные клетки, связанные между собой септированными контактами – уникальный для беспозвоночных вид межклеточных соединений). Периневральная глия ограничивает мозг как орган, образуя физический барьер, а субпериневральная глия регулирует транспорт веществ между мозгом и гемолимфой;
  • корковая глия, которая взаимодействует с телами нейронов в ЦНС;
  • глия нейропилей, которая покрывает залегающие в нейропилях аксоны и их синапсы;
  • глия трактов, образующую оболочку аксональных трактов, соединяющих между собой различные нейропили.

Основные типы нейроглии у насекомых на примере дрозофилы и млекопитающих. Credit:Verkhratsky A.et al. / Advances in Experimental Medicine and Biology 2019


Поверхностная глия, корковая глия и глия нейропилей по функциям схожи с астроцитами млекопитающих и поддерживают гомеостаз нервной ткани. Поверхностная глия, подразделяющаяся на два слоя, образует физический и химический барьер мозга.

Корковая глия имеет паренхиматозное строение и окружает тела нейронов, причем, в отличие от глии млекопитающих, каждая клетка корковой глии одновременно взаимодействует с несколькими нейронами. Корковая глия обеспечивает трофическое снабжение нейронов и контактирует с барьером между гемолимфой и мозгом, сформированным поверхностной глией.

Кроме того, клетки глии обволакивают концы трахеол (тончайших трубочек, обеспечивающих газообмен и пронизывающих все тело насекомого), которые доставляют кислород к нервной системе. Глия нейропилей играет важнейшую роль в образовании новых синапсов и синаптической передаче. Глию нейропилей подразделяют на клетки обкладки, которые очерчивают границы нейропиля, и астроцитоподобные клетки, по морфологии близкие к астроцитам млекопитающих, которые, в частности, с помощью специальных транспортеров поглощают молекулы нейромедиаторов, тем самым модулируя активность синапсов.

У дрозофилы клетки глии обладают возбудимостью и способны к спонтанной или индуцированной активации сигнального пути ионов кальция, которые могут выходить как из клеточных депо (в теле клетки), так и входить в клетку извне через каналы в мембране (на отростках). Кроме того, клетки глии, поддерживающие гомеостаз, регулируют ионный баланс нервной ткани, а также поглощают молекулы нейромедиаторов из синаптических щелей и обеспечивают их катаболизм, в частности, именно глия удаляет молекулы гистамина и ГАМК и разрушает их. Любопытно, что у дрозофилы поломка транспортеров глутамата, функционирующих в клетках глии, не является фатальной, а приводит к преобладанию гомосексуального поведения.

Наконец, у насекомых глия обладает нейропротекторными свойствами и обеспечивает питание нейронов. Например, в сетчатке медоносной пчелы глиальные клетки снабжают нейроны аланином, который далее превращается в пируват, из которого нейроны извлекают энергию. Гибель глиальных клеток приводит к скорой смерти нейронов, и у мух с наследственными дефектами в функционировании глии наблюдается активная нейродегенерация. Некоторые глиальные клетки насекомых способны к фагоцитозу и могут функционировать как локальные иммунные клетки, подобно микроглии млекопитающих.

У дрозофилы клетки глии образуют особые нейрогенные ниши, в которых пролиферируют и созревают нейробласты. Пролиферация и дифференцировка нейробластов находится под контролем глиальных клеток разных видов.

 


Текст: Елизавета Минина

Verkhratsky A., Ho M.S., Parpura V. (2019) Evolution of Neuroglia. In: Verkhratsky A., Ho M., Zorec R., Parpura V. (eds) Neuroglia in Neurodegenerative Diseases. Advances in Experimental Medicine and Biology, vol 1175. Springer, Singapore

Текст написан для портала Neuronovosti.Ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *