Культивирование и регенерация трихоплакса Trichoplax sp. H2 из фрагментов тела и агрегатов диссоциированных клеток: перспективы генетической модификации
##plugins.themes.bootstrap3.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.bootstrap3.article.details##
Аннотация
Выполнены исследования на культивируемом в лаборатории простейшем многоклеточном животном Trichoplax sp. H2 с целью дальнейшей генетической модификации этого организма. Предлагается вводить генетическую информацию в суспензию клеток после диссоциации тела трихоплакса на отдельные клетки с последующей их агрегацией и регенерацией полученных агломератов в жизнеспособное животное. С этой целью мы исследовали динамику роста трихоплаксов в чашках Петри на матах из одноклеточной водоросли Tetraselmis marina. Особи были однородны на стадии экспоненциального роста. В экспериментах по посттравматической регенерации разрезали подопытных животных радиально и исследовали восстановление полученных частей под микроскопом. Оценивали интенсивность роста и размножения трихоплаксов на водорослевых матах — показатели, ухудшавшиеся по мере измельчения животных. Обнаружено, что утраченная часть тела трихоплакса замещается за счёт ремоделинга оставшихся клеток. После витальной окраски животных подвергали диссоциации на отдельные клетки в среде, лишённой двухвалентных катионов. Идентифицированы клетки грушевидной или округлой формы и клетки эпителия со жгутиками, которые сохраняли двигательную активность более 12 ч. Для количественной оценки популяции клеток с помощью проточной цитометрии пластинки трихоплаксов дезинтегрировали при добавлении 10 мкМ амлодипина. Показано, что трихоплакс размером 0,5–1,0 мм состоит примерно из 10 000 клеток. Обработка животных 10%-ным бычьим сывороточным альбумином (БСА) в течение различных промежутков времени свидетельствует в пользу существования тотипотентных клеток на периферии трихоплакса, вероятно в пояске пластинки. В экспериментах по репаративной регенерации удалось добиться диссоциации трихоплаксов на отдельные клетки при обработке 0,1%-ным БСА, а затем воссоздать живые организмы путём центрифугирования суспензии клеток и последующего диспергирования крупного осадка на фрагменты до 0,1 мм перед высевом многоклеточных агрегатов на питательные маты. Развитие этих агрегатов сопровождалось активными движениями клеток и эпителизацией поверхности, что приводило к увеличению клеточной массы, формированию пластинки, росту и дальнейшему вегетативному делению трихоплаксов. Предполагается, что пребывание экспериментальных животных на искусственной стадии одиночной клетки в ряду бесполых размножений позволит интродуцировать в трихоплакса чужеродную генетическую информацию, например с целью изучения сигнальных систем, организации и функционирования этого многоклеточного организма. Трансгенез, основанный на диссоциации тела животного на отдельные клетки, возможно, будет применим и к другим организмам, обладающим высоким регенеративным потенциалом.
Авторы
Библиографические ссылки
Кузнецов А. В., Кулешова О. Н., Пронозин А. Ю., Кривенко О. В., Завьялова О. С. Действие прямоугольных электрических импульсов низкой частоты на трихоплакса (тип Placozoa) // Морской биологический журнал. 2020a. Т. 5, № 2. С. 50–66. [Kuznetsov A. V., Kuleshova O. N., Pronozin A. Yu., Krivenko O. V., Zavyalova O. S. Effects of low frequency rectangular electric pulses on Trichoplax (Placozoa). Morskoj biologicheskij zhurnal, 2020a, vol. 5, no. 2, pp. 50–66. (in Russ.)]. https://doi.org/10.21072/mbj.2020.05.2.05
Романова Д. Ю. Разнообразие клеточных типов у гаплотипа H4 Placozoa sp. // Морской биологический журнал. 2019. Т. 4, № 1. С. 81–90. [Romanova D. Y. Cell types diversity of H4 haplotype Placozoa sp. Morskoj biologicheskij zhurnal, 2019, vol. 4, no. 1, pp. 81–90. (in Russ.)]. https://doi.org/10.21072/mbj.2019.04.1.07
Серавин Л. Н., Гудков А. В. Trichoplax adhaerens (тип Placozoa) – одно из самых примитивных многоклеточных животных. Санкт-Петербург : ТЕССА, 2005. 69 с. [Seravin L. N., Gudkov A. V. Trichoplax adhaerens (Placozoa) – odno iz samykh primitivnykh mnogokletochnykh zhivotnykh. Saint Petersburg : TESSA, 2005, 69 p. (in Russ.)]
Albertini M. C., Fraternale D., Semprucci F., Cecchini S., Colomba M., Rocchi M. B. L., Sisti D., Di Giacomo B., Mari M., Sabatini L., Cesaroni L., Balsamo M., Guidi L. Bioeffects of Prunus spinosa L. fruit ethanol extract on reproduction and phenotypic plasticity of Trichoplax adhaerens Schulze, 1883 (Placozoa). PeerJ, 2019, vol. 7, art. no. e6789 (22 p.). https://doi.org/10.7717/peerj.6789
Armon S., Bull M. S., Aranda-Diaz A., Prakash M. Ultrafast epithelial contractions provide insights into contraction speed limits and tissue integrity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, vol. 115, no. 44, pp. E10333–E10341. https://doi.org/10.1073/pnas.1802934115
Bond C. Continuous cell movements rearrange anatomical structures in intact sponge. Journal of Experimental Zoology, 1992, vol. 263, iss. 3, pp. 284–302. https://doi.org/10.1002/jez.1402630308
Currie J. D., Kawaguchi A., Traspas R. M., Schuez M., Chara O., Tanaka E. M. Live imaging of axolotl digit regeneration reveals spatiotemporal choreography of diverse connective tissue progenitor pools. Developmental Cell, 2016, vol. 39, iss. 4, pp. 411–423. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2016.10.013
Dellaporta S. L., Xu A., Sagasser S., Jakob W., Moreno M. A., Buss L. W., Schierwater B. Mitochondrial genome of Trichoplax adhaerens supports Placozoa as the basal lower metazoan phylum. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2006, vol. 103, no. 23, pp. 8751–8756. https://doi.org/10.1073/pnas.0602076103
DuBuc T. Q., Ryan J. F., Martindale M. Q. “Dorsal–ventral” genes are part of an ancient axial patterning system: Evidence from Trichoplax adhaerens (Placozoa). Molecular Biology and Evolution, 2019, vol. 6, iss. 5, pp. 966–973. https://doi.org/10.1093/molbev/msz025
Eitel M., Guidi L., Hadrys H., Balsamo M., Schierwater B. New insights into placozoan sexual reproduction and development. PLoS One, 2011, vol. 6, iss. 5, art. no. e19639 (9 p.). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0019639
Eitel M., Osigus H. J., DeSalle R., Schierwater B. Global diversity of the Placozoa. PLoS One, 2013, vol. 8, iss. 4, art. no. e57131 (12 p.). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0057131
Eitel M., Schierwater B. The phylogeography of the Placozoa suggests a taxon-rich phylum in tropical and subtropical waters. Molecular Ecology, 2010, vol. 19, iss. 11, pp. 2315–2327. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2010.04617.x
Elkhatib W., Smith C. L., Senatore A. A Na+ leak channel cloned from Trichoplax adhaerens extends extracellular pH and Ca2+ sensing for the DEG/ENaC family close to the base of Metazoa. Journal of Biological Chemistry, 2019, vol. 294, iss. 44, pp. 16320–16336. https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.010542
Galtsoff P. S. Regeneration after dissociation (an experimental study on sponges). II. Histogenesis of Microciona prolifera, verr. Journal of Experimental Zoology, 1925, vol. 42, iss. 1, pp. 223–255. https://doi.org/10.1002/jez.1400420110
Gildor T., Malik A., Sher N., Avraham L., Ben-Tabou de-Leon S. Quantitative developmental transcriptomes of the Mediterranean Sea urchin Paracentrotus lividus. Marine Genomics, 2016, vol. 25, pp. 89–94. https://doi.org/10.1016/j.margen.2015.11.013
Grell K. G. Eibildung und Furchung von Trichoplax adhaerens F. E. Schulze (Placozoa). Zeitschrift für Morphologie der Tiere, 1972, vol. 73, iss. 4, pp. 297–314. https://doi.org/10.1007/BF00391925
Grell K. G. Embryonalentwicklung bei Trichoplax adhaerens F. E. Schulze. Naturwissenschaften, 1971, vol. 58, iss. 11, pp. 570. https://doi.org/10.1007/BF00598728
Grell K. G., Benwitz G. Elektronenmikroskopische Beobachtungen über das Wachstum der Eizelle und die Bildung der „Befruchtungsmembran” von Trichoplax adhaerens F. E. Schulze (Placozoa). Zeitschrift für Morphologie der Tiere, 1974, vol. 79, iss. 4, pp. 295–310. https://doi.org/10.1007/BF00277511
Grell K. G., Benwitz G. Ergänzende Untersuchungen zur Ultrastruktur von Trichoplax adhaerens F. E. Schulze (Placozoa). Zoomorphology, 1981, vol. 98, iss. 1, pp. 47–67. https://doi.org/10.1007/BF00310320
Grell K. G., Ruthmann A. Placozoa. In: Microscopic Anatomy of Invertebrates. Vol. 2. Placozoa, Porifera, Cnidaria, and Ctenophora / F. W. Harrison, J. A. Westfall (Eds). New York : Wiley-Liss, 1991, pp. 13–28.
Gruber-Vodicka H. R., Leisch N., Kleiner M., Hinzke T., Liebeke M., McFall-Ngai M., Hadfield M. G., Dubilier N. Two intracellular and cell type-specific bacterial symbionts in the placozoan Trichoplax H2. Nature Microbiology, 2019, vol. 4, iss. 9, pp. 1465–1474. https://doi.org/10.1038/s41564-019-0475-9
Hardy S., Legagneux V., Audic Y., Paillard L. Reverse genetics in eukaryotes. Biology of the Cell, 2010, vol. 102, iss. 10, pp. 561–580. https://doi.org/10.1042/BC20100038
Harris A. K. Cell motility and the problem of anatomical homeostasis. In: Cell Behaviour: Shape, Adhesion and Motility. The Second Abercrombie Conf. [Proceed.] / S. E. Heaysman, C. A. Middleton, F. M. Watt (Eds). Cambridge : The Company of Biologists L., 1987, pp. 121–140. (Journal of Cell Science Supplements ; Suppl. 8). https://doi.org/10.1242/jcs.1987.Supplement_8.7
Heyland A., Croll R., Goodall S., Kranyak J., Russell W. Trichoplax adhaerens, an enigmatic basal metazoan with potential. In: Developmental Biology of the Sea Urchin and Other Marine Invertebrates: Methods and Protocols / D. J. Carroll, S. A. Stricker (Eds). Totowa, NJ : Humana, 2014, pp. 45–61. https://doi.org/10.1007/978-1-62703-974-1_4
Jackson A. M., Buss L. W. Shiny spheres of placozoans (Trichoplax) function in anti-predator defense. Invertebrate Biology, 2009, vol. 128, iss. 3, pp. 205–212. https://doi.org/10.1111/J.1744-7410.2009.00177.X
Jakob W., Sagasser S., Dellaporta S., Holland P., Kuhn K., Schierwater B. The Trox-2 Hox/ParaHox gene of Trichoplax (Placozoa) marks an epithelial boundary. Development Genes and Evolution, 2004, vol. 214, iss. 4, pp. 170–175. https://doi.org/10.1007/s00427-004-0390-8
Kamm K., Osigus H. J., Stadler P. F., DeSalle R., Schierwater B. Trichoplax genomes reveal profound admixture and suggest stable wild populations without bisexual reproduction. Scientific Reports, 2018, vol. 8, iss. 1, art. no. 11168 (11 p.). https://doi.org/10.1038/s41598-018-29400-y
Kamm K., Schierwater B., DeSalle R. Innate immunity in the simplest animals – placozoans. BMC Genomics, 2019, vol. 20, iss. 1, art. no. 5 (12 p.). https://doi.org/10.1186/s12864-018-5377-3
Kuhl W., Kuhl G. Bewegungsphysiologische Untersuchungen an Trichoplax adhaerens F. E. Schulze. Zoologischer Anzeiger Supplement, 1963, vol. 26, pp. 460–469.
Kuhl W., Kuhl G. Untersuchungen über das Bewegungsverhalten von Trichoplax adhaerens F. E. Schulze (Zeittransformation: Zeitraffung). Zeitschrift für Morphologie und Ökologie der Tiere, 1966, vol. 56, iss. 4, pp. 417–435. https://doi.org/10.1007/BF00442291
Kuznetsov A. V., Halaimova A. V., Ufimtseva M. A., Chelebieva E. S. Blocking a chemical communication between Trichoplax organisms leads to their disorderly movement. International Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems, 2020b, vol. 35, iss. 4, pp. 473–482. https://doi.org/10.1080/17445760.2020.1753188
Layden M. J., Rentzsch F., Röttinger E. The rise of the starlet sea anemone Nematostella vectensis as a model system to investigate development and regeneration. WIREs Developmental Biology, 2016, vol. 5, iss. 4, pp. 408–428. https://doi.org/10.1002/wdev.222
Lenhoff S. G., Lenhoff H. M. Hydra and the Birth of Experimental Biology, 1744: Abraham Trembley’s Memoires Concerning the Polyps. Pacific Grove, CA : Boxwood Press, 1986. 192 p.
Liu L.-P., Xiang J.-H., Dong B., Natarajan P., Yu K.-J., Cai N.-E. Ciona intestinalis as an emerging model organism: Its regeneration under controlled conditions and methodology for egg dechorionation. Journal of Zhejiang University SCIENCE B – Biomedicine & Biotechnology, 2006, vol. 7, iss. 6, pp. 467–474. https://doi.org/10.1631/jzus.2006.B0467
Lush M. E., Diaz D. C., Koenecke N., Baek S., Boldt H., St Peter M. K., Gaitan-Escudero T., Romero-Carvajal A., Busch-Nentwich E. M., Perera A. G., Hall K. E., Peak A., Haug J. S., Piotrowski T. scRNA-Seq reveals distinct stem cell populations that drive hair cell regeneration after loss of Fgf and Notch signaling. eLife, 2019, vol. 25, art. no. e44431 (31 p.). https://doi.org/10.7554/eLife.44431
Mayorova T. D., Hammar K., Winters C. A., Reese T. S., Smith C. L. The ventral epithelium of Trichoplax adhaerens deploys in distinct patterns cells that secrete digestive enzymes, mucus or diverse neuropeptides. Biology Open, 2019, vol. 8, iss. 8, art. no. bio045674 (13 p.). https://doi.org/10.1242/bio.045674
Mayorova T. D., Smith C. L., Hammar K., Winters C. A., Pivovarova N. B., Aronova M. A., Leapman R. D., Reese T. S. Cells containing aragonite crystals mediate responses to gravity in Trichoplax adhaerens (Placozoa), an animal lacking neurons and synapses. PLoS One, 2018, vol. 13, iss. 1, art. no. e0190905 (20 p.). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0190905
Moroz L. L., Sohn D., Romanova D. Y., Kohn A. B. Microchemical identification of enantiomers in early-branching animals: Lineage-specific diversification in the usage of D-glutamate and D-aspartate. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2020, vol. 527, iss. 4, pp. 947–952. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2020.04.135
Pearse V. B. Growth and behavior of Trichoplax adhaerens: First record of the phylum Placozoa in Hawaii. Pacific Science, 1989, vol. 43, no. 2, pp. 117–121.
Pearse V. B., Voigt O. Field biology of placozoans (Trichoplax): Distribution, diversity, biotic interactions. Integrative & Comparative Biology, 2007, vol. 47, iss. 5, pp. 677–692. https://doi.org/10.1093/icb/icm015
Romanova D. Y., Heyland A., Sohn D., Kohn A. B., Fasshauer D., Varoqueaux F., Moroz L. L. Glycine as a signaling molecule and chemoattractant in Trichoplax (Placozoa): Insights into the early evolution of neurotransmitters. NeuroReport, 2020, vol. 31, iss. 6, pp. 490–497. https://doi.org/10.1097/WNR.0000000000001436
Ruthmann A. Cell differentiation, DNA content and chromosomes of Trichoplax adhaerens F. E. Schulze. Cytobiologie, 1977, vol. 15, iss. 1, pp. 58–64.
Ruthmann A., Terwelp U. Disaggregation and reaggregation of cells of the primitive metazoan Trichoplax adhaerens. Differentiation, 1979, vol. 13, iss. 3, pp. 185–198. https://doi.org/10.1111/j.1432-0436.1979.tb01581.x
Sambrook J., Russell D. Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 3rd ed. New York : Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001, 2344 p.
Schierwater B., Eitel M., Jakob W., Osigus H. J., Hadrys H., Dellaporta S. L., Kolokotronis S. O., Desalle R. Concatenated analysis sheds light on early metazoan evolution and fuels a modern “urmetazoon” hypothesis. PLoS Biology, 2009, vol. 7, iss. 1, art. no. e1000020 (9 p.). https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1000020
Schulze F. E. Trichoplax adhaerens, nov. gen., nov. spec. Zoologischer Anzeiger, 1883, vol. 6, no. 132, pp. 92–97.
Schulze F. E. Über Trichoplax adhaerens. Physikalische Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, 1891, abh. 1, s. 1–23.
Schwartz V. Das radialpolare Differenzierungsmuster bei Trichoplax adhaerens F. E. Schulze (Placozoa). Zeitschrift für Naturforschung C, 1984, vol. 39, iss. 7–8, pp. 818–832. https://doi.org/10.1515/znc-1984-7-822
Sebé-Pedrós A., Chomsky E., Pang K., Lara-Astiaso D., Gaiti F., Mukamel Z., Amit I., Hejnol A., Degnan B. M., Tanay A. Early metazoan cell type diversity and the evolution of multicellular gene regulation. Nature Ecology & Evolution, 2018, vol. 2, iss. 7, pp. 1176–1188. https://doi.org/10.1038/s41559-018-0575-6
Senatore A., Reese T. S., Smith C. L. Neuropeptidergic integration of behavior in Trichoplax adhaerens, an animal without synapses. Journal of Experimental Biology, 2017, vol. 220, iss. 18, pp. 3381–3390. https://doi.org/10.1242/jeb.162396
Signorovitch A. Y., Buss L. W., Dellaporta S. L. Comparative genomics of large mitochondria in placozoans. PLoS Genetics, 2007, vol. 3, iss. 1, art. no. e13 (7 p.). https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0030013
Smith C. L., Abdallah S., Wong Y. Y., Le P., Harracksingh A. N., Artinian L., Tamvacakis A. N., Rehder V., Reese T. S., Senatore A. Evolutionary insights into T-type Ca2+ channel structure, function, and ion selectivity from the Trichoplax adhaerens homologue. Journal of General Physiology, 2017, vol. 149, no. 4, pp. 483–510. https://doi.org/10.1085/jgp.201611683
Smith C. L., Mayorova T. D. Insights into the evolution of digestive systems from studies of Trichoplax adhaerens. Cell and Tissue Research, 2019, vol. 377, iss. 3, pp. 353–367. https://doi.org/10.1007/s00441-019-03057-z
Smith C. L., Pivovarova N., Reese T. S. Coordinated feeding behavior in Trichoplax, an animal without synapses. PLoS One, 2015, vol. 10, iss. 9, art. no. e0136098 (15 p.). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0136098
Smith C. L., Reese T. S., Govezensky T., Barrio R. A. Coherent directed movement toward food modeled in Trichoplax, a ciliated animal lacking a nervous system. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, vol. 116, no. 18, pp. 8901–8908. https://doi.org/10.1073/pnas.1815655116
Smith C. L., Varoqueaux F., Kittelmann M., Azzam R. N., Cooper B., Winters C. A., Eitel M., Fasshauer D., Reese T. S. Novel cell types, neurosecretory cells, and body plan of the early-diverging metazoan Trichoplax adhaerens. Current Biology, 2014, vol. 24, iss. 14, pp. 1565–1572. https://doi.org/10.1016/j.cub.2014.05.046
Sommer R. J. The future of evo-devo: Model systems and evolutionary theory. Nature Reviews Genetics, 2009, vol. 10, iss. 6, pp. 416–422. https://doi.org/10.1038/nrg2567
Srivastava M., Begovic E., Chapman J., Putnam N. H., Hellsten U., Kawashima T., Kuo A., Mitros T., Salamov A., Carpenter M. L., Signorovitch A. Y., Moreno M. A., Kamm K., Grimwood J., Schmutz J., Shapiro H., Grigoriev I. V., Buss L. W., Schierwater B., Dellaporta S. L., Rokhsar D. S. The Trichoplax genome and the nature of placozoans. Nature, 2008, vol. 454, iss. 7207, pp. 955–960. https://doi.org/10.1038/nature07191
Syed T., Schierwater B. Trichoplax adhaerens: Discovered as a missing link, forgotten as a hydrozoan, re-discovered as a key to metazoan evolution. Vie et Milieu, 2002, vol. 52, iss. 4, pp. 177–187.
Thiemann M., Ruthmann A. Alternative modes of asexual reproduction in Trichoplax adhaerens (Placozoa). Zoomorphology, 1991, vol. 110, iss. 3, pp. 165–174. https://doi.org/10.1007/BF01632872
Thiemann M., Ruthmann A. Trichoplax adhaerens F. E. Schulze (Placozoa): The formation of swarmers. Zeitschrift für Naturforschung C, 1988, vol. 43, iss. 11–12, pp. 955–957. https://doi.org/10.1515/znc-1988-11-1224
Transgenesis Techniques: Principles and Protocols. 3rd ed. / E. J. Cartwright (Ed.). Totowa, NJ : Humana Press, 2009, 335 p. https://doi.org/10.1007/978-1-60327-019-9
Varoqueaux F., Williams E. A., Grandemange S., Truscello L., Kamm K., Schierwater B., Jékely G., Fasshauer D. High cell diversity and complex peptidergic signaling underlie placozoan behavior. Current Biology, 2018, vol. 28, iss. 21, pp. 3495–3501. https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.08.067
Wenderoth H. Transepithelial cytophagy by Trichoplax adhaerens F. E. Schulze (Placozoa) feeding on yeast. Zeitschrift für Naturforschung C, 1986, vol. 41, iss. 3, pp. 343–347. https://doi.org/10.1515/znc-1986-0316
Wilson H. V. Development of sponges from dissociated tissue cells. Fishery Bulletin, 1910, vol. 30, pp. 1–35.
Wilson H. V. On some phenomena of coalescence and regeneration in sponges. Journal of Experimental Zoology, 1907, vol. 5, iss. 2, pp. 245–258. https://doi.org/10.1002/jez.1400050204
Zuccolotto-Arellano J., Cuervo-González R. Binary fission in Trichoplax is orthogonal to the subsequent division plane. Mechanisms of Development, 2020, vol. 162, art. no. 103608 (9 p.). https://doi.org/10.1016/j.mod.2020.103608
