Из окаменелого хряща раннемелового динозавра выделены структуры, похожие на клеточные ядра

4

Реконструкция внешнего вида динозавра Caudipteryx zoui. В роде Caudipteryx пока описано всего два вида (второй — C. dongi). Все ископаемые находки были обнаружены в Китае. В минерализованном хряще представителя этого рода в рамках обсуждаемой работы было обнаружена структура, похожая на морфологически сохранное ядро. Рисунок © James Reece с сайта australian.museum

Наивный вопрос о том, сможем ли мы когда-нибудь восстановить вымершие виды, в том числе и динозавров, упирается во множество нерешенных проблем. Одна из них — плохая сохранность древней ДНК. На данный момент самые древние образцы секвенированной ДНК датируются чуть более чем миллионом лет, а найти сохранную ДНК динозавров пока вообще не удалось. Но небольшие успехи в этом направлении появляются. Китайские ученые, изучив окаменевшую хрящевую ткань хищного динозавра каудиптерикса (Caudipteryx), обнаружили в ней сохранное ядро с нитями хроматина. Эта находка уже не уникальна (в прошлом году была опубликована статья с описанием вероятной идентификации ядер хондроцитов позднемелового гадрозавра), но имеет безусловную ценность: она пополняет пока что достаточно скудную коллекцию ископаемых структур клеток животных и показывает, что сохранение клеточных ядер в палеонтологических образцах возможно.

Хотя палеогенетика — наука об изучении древней ДНК различными методами молекулярно-генетического анализа — регулярно радует нас интересными открытиями (см., например, многие новости в сюжете Неандертальцы, сапиенсы, денисовцы), ее возможности всё же ограничены. Главное ограничение связано с плохой сохранностью генетического материала в образцах. На данный момент самые древние прочитанные геномы — геномы мамонтов, живших чуть более миллиона лет назад на северо-западе Сибири (T. van der Valk et al., 2021. Million-year-old DNA sheds light on the genomic history of mammoths). ДНК была выделена из коренных зубов, найденных на трех стоянках в вечной мерзлоте Якутии и Чукотки. Видимо, такие условия помогли сохраниться ДНК в качестве, достаточном для секвенирования.

Есть разные оценки сохранности древней ДНК, одна из самых распространенных гласит, что период полураспада ДНК составляет 521 год (M. E. Allentoft et al., 2012. The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils). Но на самом деле оценка зависит от условий. В упомянутой статье образцы кости, по которым сделали оценку, лежали при температуре +13°C. Эти же авторы предполагают, что при −5°C за 6,8 млн лет все химические связи ДНК из костей будут разрушены, а секвенировать возможно образцы ДНК не старше 1,5 миллионов лет. Кроме того, должны учитываться другие параметры (например, состав окружающей среды), а также источник выделенной ДНК (растение это было или животное, из какой ткани образец).

Но если с самой ДНК пока всё плохо, то с клеточной структурой, в которой ДНК содержится, — ядром — дела обстоят несколько лучше: сохранившиеся ископаемые клеточные ядра уже несколько раз находили. Их сохранность зависит от возраста находки. Так, например, в 2019 году ученые сообщили о том, что сохранившиеся в вечной мерзлоте ядра клеток мамонта возрастом 28 тысяч лет после размораживания проявляли биологическую активность (K. Yamagata et al., 2019. Signs of biological activities of 28,000-year-old mammoth nuclei in mouse oocytes visualized by live-cell imaging). Они сохранили не только ДНК, но и связанные с ней гистоны, а также ламины, входящие в состав ядерной мембраны. При переносе очищенных ядер в ооциты мыши в ядрах наблюдались различные процессы: сборка веретена деления, добавление новых молекул гистонов в хроматин.

Однако это единственная находка настолько высокого качества. В образцах древних папоротников возрастом более 180 миллионов лет были обнаружены минерализованные ядра (см. новость Размер генома папоротников чистоустов не менялся 180 миллионов лет, «Элементы», 25.03.2014). В них сохранились хромосомы, ядрышки, а также клеточные мембраны (рис. 2).

Внешний вид сохранившихся клеток верхушки корневища окаменелого папоротника, найденного в Швеции. A — поперечный разрез корневища папоротника. В — увеличенный участок радиального продольного разреза с типичными клетками водоносной паренхимы. Сохранились клеточные мембраны (указаны стрелкой), цитоплазма и гранулы в цилоплазме, а также интерфазные ядра с выраженными ядрышками. С — интерфазное ядро с ядрышком и сохранной ядерной мембраной. D — ядро на стадии ранней профазы с конденсирующимся хроматином и разрушающимся ядрышком, а также сохранной ядерной мембраной. E и F — клетки на стадии поздней профазы с плотно упакованными хромосомами и полностью разрушенными ядрышком и ядерной мембраной. G и H — клетки в прометафазе, хромосомы выстроены на экваторе клетки. I и J — вероятные клетки на стадии анафазы с хромосомами, продвигающимися к противоположным полюсам клетки. Длина масштабных отрезков: A — 500 мкм, B — 20 мкм; CJ — 5 мкм. Иллюстрация из B. Bomfleur et al., 2014. Fossilized Nuclei and Chromosomes Reveal 180 Million Years of Genomic Stasis in Royal Ferns

Еще более древняя находка — ядра эмбрионоподобных структур, относящихся к эдиакарской биоте, которые датируются возрастом 609 млн лет (Z. Yin et al., 2017. Nuclei and nucleoli in embryo-like fossils from the Ediacaran Weng’an Biota). Однако что это за структуры и кому они принадлежали — повод для научных дискуссий. Одно из различий между находками ядер папоротников и эдиакарских «эмбрионов» состоит в характере минерализации. Если у папоротника клетки и ядра были минерализованы изнутри кальцитом, сохранившим четкие структуры, то у эдиакарской находки ядра как бы покрыты слоем минералов. Впрочем, не во всех случаях ядра оказались полыми (W. Sun et al., 2020. Nucleus preservation in early Ediacaran Weng'an embryo-like fossils, experimental taphonomy of nuclei and implications for reading the eukaryote fossil record).

Что касается ядер клеток динозавров, то до настоящего времени была известна лишь одна находка, да и та не стопроцентная. При анализе кальцинированного хряща позднемелового гадрозавра Hypacrosaurus stebingeri, жившего на территории современного штата Монтана (США) 75 млн лет назад, были найдены ядра хондроцитов (рис. 3, A. Bailleul et al., 2020. Evidence of proteins, chromosomes and chemical markers of DNA in exceptionally preserved dinosaur cartilage). По морфологии они гораздо меньше обычных ядер, хотя в них присутствует двуцепочечная ДНК. Это показано окрашиванием красителями PI (Propidium iodide, йодистый пропидий) и DAPI. Такая морфология ядер может объясняться расположением клеток на стыке между хрящевой и костной тканью, где часто происходит апоптоз, одна из черт которого — конденсация ядра. Согласно альтернативной гипотезе, окрашивание может быть результатом контаминации бактериями, однако тогда они должны были бы присутствовать в виде скопления, что для каждой изученной клетки кажется маловероятным — во всяком случае, по мнению авторов.

Выделенные хондроциты Hypacrosaurus и результат окрашивания на присутствие двуцепочечной ДНК. A, B, E — выделенные хондроциты Hypacrosaurus и эму (контроль) отмечены зелеными стрелками (микрофотографии в проходящем свете). Хондроциты были выделены как в виде одиночных клеток (А), так и в виде дублетов (В). C и F — окрашивание йодистым пропидием (PI stain; см. Propidium iodide), который выделяет ДНК. Хорошо видно, что окраска сконцентрирована в небольшом регионе внутри клеток (белые стрелки). D и G — окраска красителем DAPI, который также выделяет ДНК (черные стрелки). Паттерн окраски схож с окраской PI. Иллюстрация из статьи A. Bailleul et al., 2020. Evidence of proteins, chromosomes and chemical markers of DNA in exceptionally preserved dinosaur cartilage

Поэтому находка еще одного сохранившегося хряща, содержащего ядра, безусловно заслуживает внимания. Китайские исследователи под руководством Чжунхэ Чжоу (Zhonghe Zhou) изучили образец хряща динозавра из рода Caudipteryx, относящегося к так называемой биоте Жэхэ (Jehol Biota; Jehol — романизированное название Rehe Province — исторической провинции Жэхэ). К биоте Жэхэ относятся животные, жившие в раннемеловом периоде, порядка 120–130 млн лет назад, на северо-востоке современного Китая. Остатки динозавра были обнаружены в Исяньской формации (Yixian formation), известной тем, что в ней найдено большое количество образцов отличного качества, в том числе и с высокой сохранностью мягких тканей. Причиной такой сохранности было низкое содержание кислорода в то время, когда остатки животных захоранивались, и комбинация осадочных и вулканических пород, которые предотвратили разрушение формации. Статья с описанием новой находки была опубликована в недавнем выпуске журнала Communications Biology.

Авторы обсуждаемой работы исследовали фрагмент правой бедренной кости каудиптерикса различными методами. Сначала они провели микроскопический анализ, изучив распределение осадочных пород, покрывавших образец, а также сохранность материала. Они обнаружили большое количество лакун, заполненных осадком различного состава, в которых раньше располагались хондроциты. Сочетание сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показало, что часть лакун содержит железо, а часть — кремний и алюминий. В межклеточном веществе было много кальция.

Далее исследователи, как и положено при изучении любой ткани, провели гистологический анализ кости. Были приготовлены тонкие парафиновые срезы, в которых ученые смогли увидеть хоть и очень поврежденную, но сохранную хрящевую ткань, а также некоторое количество костной ткани и железосодержащих осадочных пород. Чтобы можно было лучше рассмотреть морфологию клеток, они обработали хрящ раствором ЭДТА, который связывается с ионами кальция и удаляет их из межклеточного вещества. После этого авторы обнаружили большое количество хорошо сохраненных хондроцитов.

Далее срезы окрасили гематоксилином и эозином — стандартными реагентами для изучения структуры тканей и клеток. В качестве контроля использовали хрящ взрослой курицы. К сожалению, при подготовке хряща динозавра в образцах потерялось большое количество клеток и межклеточного вещества. Тем не менее авторам удалось найти немного сохранившихся клеток, подходящих для морфологического анализа. Одна из них имела поврежденную клеточную мембрану, но в ней наблюдались длинные темно-фиолетовые нити, которые располагались в фиолетовой округлой структуре большего диаметра (рис. 4). Авторы интерпретируют эту структуру как сохранившееся ядро хондроцита. К сожалению, дальнейшее изучение этой находки и поиск других ядер со следами хроматина с помощью просвечивающей электронной микроскопии оказались невозможными из-за сложности подготовки срезов правильного размера.

a — срез хряща каудиптерикса толщиной 5 мкм, окрашенный гематоксилином и эозином. Видно некоторое количество хондроцитов и внеклеточного вещества (ECM, extracellular matrix); tscc — прозрачные окремненные клетки хряща, bicc — коричневые клетки хряща, накопившие железо, ECM/Fe — внеклеточное вещество, содержащее железо. b — срез хряща взрослой курицы, полученный таким же образом, естественно имеет гораздо лучшую сохранность; cc — минерализованный хрящ, hc — гиалиновый хрящ, bt — трабекулы кости, bm — костный мозг. с — микрофотография трех хондроцитов каудиптерикса. Одна из клеток содержит сохранную внутриклеточную структуру и нити хроматина темно-фиолетового цвета. d — схематическое изображение фотографии с: в клетке видна неокрашенная цитоплазма (cy) и ядерная мембрана (nm), а также окрашенное ядро (nu) с нитями хроматина (ct). e — микрофотография двух хондроцитов курицы, полученная таким же способом; f — ее зарисовка, на которой видны внутриклеточный матрикс, лакуны хряща (lac) и матрикс лакун (ilm), клеточная мембрана (cm). g и h — микрофотографии в проходящем и поляризованном свете трех хондроцитов каудиптерикса, 100-кратное увеличение с использованием иммерсии. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Communications Biology

Пока это открытие оставляет больше вопросов, чем дает ответов.

Например, не совсем ясно, сохранилась ли в каком-нибудь виде ДНК. Было бы интересно увидеть повтор метода, который использовали в лаборатории Мэри Швайцер (Mary Higby Schweitzer), где было проведено упомянутое выше исследование ядер хондроцитов гадрозавра. В нем хондроциты изолировали не на парафиновом срезе, а в суспензии, а затем полученную суспензию ядер окрашивали DAPI и йодистым пропидием (PI), детектировавшим двуцепочечную ДНК. Был ли это вопрос сохранности или доступности материала, авторы не объясняют. Тем не менее они подчеркивают, что использование гистохимического анализа (окрашивания гематоксилином и эозином) — это хороший метод для изучения древних тканей, так как по крайней мере группам Чжоу и Швайцер удалось проводить этот анализ. Авторы утверждают, что с учетом дополнительных контролей (в обсуждаемой работе ими были использование куриного хряща и изучение материала с помощью сканирующей электронной микроскопии) его вполне достаточно.

С этим, правда, не согласны некоторые другие палеонтологи. Один из авторов обсуждаемой работы, Алида Байоль (Alida M. Bailleul, ранее работала с Мэри Швайцер), проанализировала подобным способом мягкие ткани энанциорнисовых птиц из биоты Жэхэ и обнаружила в них фолликулы яичника (A. M. Bailleul et al., 2020. Confirmation of ovarian follicles in an enantiornithine (Aves) from the Jehol biota using soft tissue analyses). Эта находка уже давно обсуждается, и ряд ученых с самого обнаружения этих остатков в 2013 году ставит под сомнение то, что найденные структуры в действительности являются фолликулами, а не, например, частями растений. В ноябре 2020 года вышла статья немецкого палеоорнитолога Джеральда Майра (Gerald Mayr) и соавторов, в которой утверждается, что «фолликулы» — это черенки растения Carpolithes multiseminalis, которые имеют схожую морфологию и которыми питались энанциорнисовые птицы (G. Mayr et al., 2020. Reanalysis of putative ovarian follicles suggests that Early Cretaceous birds were feeding not breeding).

Что касается именно гистологического анализа, то авторы считают, что он совсем не подходит для анализа мягких тканей палеонтологических образцов, так как возможно взаимодействие реагентов, использующихся для сохранности образцов, и реагентов, используемых для окрашивания (в основном физическое, связанное с тем, как хорошо краситель попадает в образцы).

Кроме того, микроскопические исследования структур могут быть предметом субъективной интерпретации — хочется увидеть то, что хочется. Но тем не менее полученное изображение действительно похоже на ядро с конденсированными хромосомами.

Авторы обсуждаемого исследования подчеркивают, что ДНК, содержащаяся в обнаруженной клетке (если она там есть), вряд ли подлежит какому-либо виду молекулярного анализа (ПЦР или самым современным способом секвенирования). Для этого потребовалось бы и большее количество сохранившихся ядер, и — в первую очередь — кропотливая работа с древней ДНК. Тем не менее исследователи надеются, что сохранились хотя бы какие-нибудь химические свойства нуклеиновых кислот, ведь хрящ, по их мнению, является очень хорошей тканью для палеогенетических исследований (хотя и плохо изученной). Они подчеркивают, что гиалиновые хрящи — одна из самых устойчивых к разрушению мягких тканей тела, поскольку они находятся в закрытой со всех сторон суставной сумке и в них отсутствует кровообращение (следствием которого является защита от проникновения микроорганизмов).

В будущем хотелось бы увидеть больше исследований на эту тему, в том числе и от других исследовательских групп. И, кто знает, может быть прочтение генома динозавра когда-нибудь станет реальностью.

Источник: Xiaoting Zheng, Alida M. Bailleul, Zhiheng Li, Xiaoli Wang & Zhonghe Zhou. Nuclear preservation in the cartilage of the Jehol dinosaur Caudipteryx // Communications Biology. 2021. DOI: 10.1038/s42003-021-02627-8.

Екатерина Грачева

источник

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ