Рыбья диета стимулирует эволюцию глубоко внутри их клеток

При изучении рациона цихлид биологи традиционно ориентируются на строение челюстей. Следы износа зубов указывают на питание водорослями, более широкое раскрытие рта говорит о присутствии в рационе другой пищи.

Связь формы рта с типом питания зафиксирована у сотен видов рыб. Однако новое исследование показало, что влияние диеты гораздо глубже: оно затрагивает не только челюсти и длину кишечника, но и клетки, выстилающие кишечную стенку. Эти изменения доходят до тканевого уровня и перестраивают его структуру. Работа опубликована в журнале Nature.

Антуан Фаж из Базельского университета отметил, что ранее почти не изучалось, как пищеварительная система адаптируется к разным типам питания на уровне клеток и их активности.

Озеро Танганьика в Восточной Африке считается одним из самых ярких примеров эволюционной радиации. Здесь обитают около 250 видов цихлид. Одни счищают водоросли с камней, другие охотятся на мелкую добычу, третьи отрывают чешую у других рыб.

Этот водоем давно рассматривается как модель эволюции, где виды происходят от общих предков и занимают разные экологические ниши. Известно, что у рыб менялись челюсти в зависимости от рациона, а также длина кишечника: у хищников он короче, у растительноядных длиннее.

Чтобы точнее понять эти процессы, Антуан Фаж и его команда применили метод секвенирования отдельных клеток, позволяющий отслеживать активность генов в каждой клетке отдельно.

Анализ охватил 24 вида цихлид с разными типами питания. В результате появилась поклеточная карта кишечной стенки, отражающая функции клеток у видов с общим предком, но разными диетами.

Наибольшие изменения обнаружены в передней части кишечника. Здесь расположены передние энтероциты — клетки, отвечающие за всасывание жиров и питательных веществ, поступающих из пищи.

Под микроскопом эти клетки образуют плотный слой, через который питательные вещества поступают в кровоток. У плотоядных цихлид таких клеток оказалось не только больше, но и выше их активность.

Структура кишечной стенки у хищных видов заметно отличалась: преобладали клетки, адаптированные к переработке белков и жиров. У растительноядных рыб клеточный состав оказался другим.

Ранее, в исследовании 2009 года, уже была зафиксирована связь между длиной кишечника и рационом цихлид из Танганьики. Новая работа показала более глубокий уровень адаптации — изменения затрагивают сами ткани.

Второй результат касался активности генов. Наиболее активные гены в специализированных клетках кишечника почти не влияли на другие ткани организма.

Такая избирательность имеет значение для эволюции. Если ген работает сразу в нескольких органах, любые изменения могут нарушить их функции. Ограниченная активность генов в отдельных типах клеток дает больше свободы для адаптаций.

Патрик Чопп из Базельского университета отметил, что это открывает новые возможности для эволюционных изменений.

Таким образом, кишечник обладает встроенной гибкостью, позволяющей перестраивать отдельные клеточные программы без ущерба для других функций организма.

Впервые удалось проследить формирование пищевой специализации сразу на трех уровнях — строение челюстей, длина кишечника и клеточная структура его стенок.

Исследование также показало, что клетки кишечника по-разному включают и отключают гены у видов с противоположными диетами. Ранее такие различия оставались скрытыми при анализе целых тканей, но секвенирование отдельных клеток позволило их выявить.

Этот подход описан как эволюция на уровне отдельных клеток. Он меняет представление о том, как особенности среды отражаются в организме.

Адаптация затрагивает не только кости или челюсти, но и внутреннюю архитектуру тканей и сообщества клеток внутри них. Такой подход открывает новые вопросы для изучения пищеварения у разных видов.

Среди них — различия кишечника человека при разном рационе: от жирной пищи до питания, богатого клетчаткой, а также роль клеточно-специфичных генов в формировании пищевых предпочтений и адаптаций.

Читайте также: