Эволюция эритроцитов

Беспозвоночные

      Считается, что самые ранние клетки крови были уже относительно специфическими, но все же,  оставались универсальными, поскольку они не только доставляли питательные вещества в ткани , но и принимали участие в фагоцитозе. Однако, они не могли транспортировать кислород. 

     До появления кровеносных систем мелкие беспозвоночные были способны к оксигенации тканей только за счет простой диффузии. Этот механизм до сих пор наблюдается у примитивных животных, таких как губки, книдарии и плоские черви. 

   Формирования более крупного строения тела в более поздний период потребовало и более эффективных механизмов доставки кислорода. Это привело к эволюции все более сложных систем кровообращения и появление различных пигментов, которые были способны переносить кислород. По-видимому, первым среди этих веществ возник гемоглобин, за ним последовали гемеритрины, гемоцианины моллюсков и, наконец, гемоцианины членистоногих.  Несмотря на то, что  гемоглобин, вероятно, начинался как свободно плавающий белок, появление клеток, инкапсулирующих пигмент (т.е. эритроцитов), по-видимому, произошло вскоре после этого . 

     Все современные позвоночные, за исключением белокровных ледяных рыб из семейства Channichthyidae, осуществляют доставку кислорода с помощью циркулирующих богатых гемоглобином эритроцитов. Подобные клетки также спорадически выявляются у многочисленных групп беспозвоночных, включая иглокожих, форонид, кольчатых червей, немертин и моллюсков. 

     Эритроциты могли возникнуть отдельно в нескольких линиях животных или однажды до расхождения типов животных, однако, история эволюции эритроцитов, по большому счету остается неясной.

От экзотермы к эндотерме

  Модельные системы, характеризующие изменения от экзотермы к эндотерме были разрабатывались на основе множества данных. Эволюционное развитие эндотермии происходило в течение миллионов лет с континуумом генетических изменений, которые включали скелет, мягкие ткани, сердечно-сосудистые макро изменения наряду с многочисленными молекулярными изменениями ( Soslau G., 2019).

Исследователям известна гипотеза о том, что пониженное содержание кислорода в пермский / триасовый период послужило толчком для эволюционного отбора эндотермических животных. Эволюция более мелких эритроцитов с большей площадью поверхности наряду с увеличением: плотности капилляров, площади поверхности капилляров, гематокритов, кровяного давления, скорости кровотока и скорости сдвига были критическими для эффективного газообмена при эндотермии. 

   Эволюция четырехкамерного сердца млекопитающих / птиц учитывала низкое легочное и высокое системное кровяное давление. Предполагается, что вызванный гипоксией ангиогенез приводит к усилению васкуляризации у эндотермических животных. Повышенное кровяное давление, скорость потока и силы сдвига, вероятно, потребовали изменений в гемостатических механизмах, которые встречались у млекопитающих при эволюции ядерных тромбоцитов. 

     Эволюция млекопитающих и птиц происходила параллельно с дальнейшими генетическими изменениями в ядрышковых эритроцитах / тромбоцитах, появившихся у млекопитающих. Несмотря на то, что эволюция эндотермии у птиц и млекопитающих произошла как два независимых события, более вероятно, что общий предок развил генетические мутации, которые заложили дорожную карту для параллельных изменений их сердечно-сосудистой системы в ответ на давление окружающей среды. 

Активность карбоангидразы

    Отмечено прогрессивное увеличение эффективности карбоангидразы эритроцитов в ходе ранней эволюции позвоночных. По-видимому, у некоторых видов также наблюдается существенное увеличение активности этого фермента в эритроцитов во время развития. Однако в настоящее время давление отбора, которое может влиять на свойства карбоангибразы эритроцитов во время эволюции и развития позвоночных, четко не определено ( Tufts B., et.al., 2003).

Немлекопитающие позвоночные

     Эритроциты позвоночных, не относящихся к млекопитающим, содержат ядро, за редким исключением рыб и амфибий. Кроме того, как и многие другие гемопоэтические клетки, эритроциты немлекопитающих непосредственно участвуют в иммунном ответе. 

    У рыб, амфибий и птиц эритроциты активно подвергаются транскрипции и продукции белка в ответ на сигналы окружающей среды. В частности, у атлантического лосося ( Salmo salarL.) эритроциты увеличивают транскрипцию антиген-презентирующих генов и генов вирусного ответа во время инфекции ортовирусом рыб (PRV) и активируют альфа-интерферон (IFN-α) в ответ на вирус инфекционной анемии лосося (ISAV), способствуя резистентности хозяина. 

    Эритроциты полосатой рыбы-клюва (Oplegnathus fasciatus ), по-видимому, координируют иммунную функцию с лейкоцитами, повышая регуляцию дополнительных 338 генов при инкубации с лейкоцитами и липополисахаридом (LPS) по сравнению с одним LPS. Кроме того, эритроциты как курицы, так и форели выделяют цитокиноподобные факторы после воздействия грибковых антигенов и экспрессируют функциональные рецепторы распознавания образов (включая toll-подобные рецепторы и белки, распознающие пептидогликаны) на своих поверхностях. Примечательно, что эритроциты форели даже участвуют в фагоцитозе патогенных дрожжей ( Candida albicans ).

      Наконец, эритроциты форели и кур образуют клеточные скопления, известные как розетки, которые служат для ускорения уничтожения патогенов макрофагами. Розеточное поведение эритроцитов рыб и птиц резко контрастирует с поведением эритроцитов человека, которое, как известно, наблюдается в тяжелых случаях малярии, вызванной Plasmodium falciparum . Розеткообразование в этом контексте характеризуется не как защитный механизм человека-хозяина, а скорее как механизм вирулентности малярийного паразита.  

Млекопитающие позвоночные

Эритроциты

     Млекопитающие - единственные позвоночные, эритроциты которых энуклеированы в зрелом состоянии.

    У млекопитающих зрелые эритроциты представляют собой гибкие, овальные, двояковогнутые диски, в которых отсутствуют клеточные ядра, органеллы и рибосомы (Moras et al. 2017). У позвоночных, не являющихся млекопитающими, эритроциты овальные, сплюснутые, двояковыпуклые диски с цитоскелетом, состоящим из маргинальной полосы микротрубочек и клеточного ядра и органелл в цитоплазме, которые позволяют им de novo синтезировать белки и молекулы в ответ на стресс и раздражители

Размеры эритроцитов в эволюции

    Эритроциты позвоночных различаются по размеру в тридцать раз. Различия в размере эритроцитов известны уже более века, но функциональное значение этого феномена остается неизвестным. Одна из гипотез заключается в том, что большие эритроциты отличаются примитивным характером. 

    Агнаты (группа низших позвоночных животных) имеют более крупные эритроциты, чем млекопитающие. Однак,о самые большие эритроциты обнаружены у амфибий уроделей, Это не согласуется с гипотезой о том, что крупные эритроциты являются примитивными. Еще одна интерпретация малого размера эритроцитов говорит о том, , что такие эритроциты обладают большей способностью к транспорта кислорода в крови. 

    Концентрация гемоглобина в крови (HB) и средняя концентрация гемоглобина RBC (MCHC) увеличиваются от агнат к птицам и млекопитающим. Однако изменения в HB и MCHC не параллельны изменениям размера RBC. Кроме того, размер эритроцитов не влияет на вязкость крови. Таким образом, нет четкой связи между размером эритроцитов и транспортной емкостью кислорода. Можно предположить, что размер эритроцитов сопровождается изменениями диаметра капилляров. Эта гипотеза основана на следующих наблюдениях. 

    Во-первых, ширина эритроцитов в среднем на 25% больше диаметра капилляра, что обеспечивает деформацию клетки во время капиллярного потока. Функционально деформация эритроцитов минимизирует диффузионные ограничения для газообмена. 

     Во-вторых, меньшие капилляры связаны с повышенным потенциалом диффузионного газообмена. Однако, мелкие капилляры приводят к более высокому сопротивлению кровотоку, что требует и более высокого кровяного давления.  Возможно , большие диаметры капилляров и большие эритроциты  отражают эволюционное развитие кровоснабжения легких. Большие капилляры снижали системное сосудистое сопротивление, позволяя одножелудочковому сердцу снабжать кровью два сосудистых контура: системный и легочный, без развития высокого давления на легочной стороне. 

     Таким образом, большие эритроциты сохранили эффективность диффузионного газообмена в крупных капиллярах ( Snyder G., Sheafor B., 2015)

Эволюция гемоглобина

    Cовременный гемоглобин произошел от древнего мономера. Субъединицы Hbα и Hbβ представляют собой сестринские паралоги, полученные в результате дупликации генов, которая произошла до появления последнего общего предка челюстных позвоночных. Ближайшие внешние группы – миоглобин (Mb), глобин E и глобин Y – мономеры. Более отдаленная клада бесчелюстных "гемоглобин" и цитоглобин позвоночных включает мономеры и димеры (Fago A., et.al., 2018). Эти наблюдения позволяют предположить, что гетеротетрамер Hb α ₂ β ₂ произошел от наследственного мономера через неизвестную промежуточную форму. Историческое «недостающее звено», через которое развился современный тетрамер — некооперативный гомодимер с высоким сродством к кислороду, существовавший до дупликации гена,  привел к образованию отдельных α- и β-субъединиц.

     Повторное введение всего двух постдупликационных эволюционных замен в наследственный белок, вероятно, было достаточным, чтобы вызвать сильную тетрамеризацию за счет создания благоприятных контактов с более древними остатками на противоположной субъединице.  Эти поверхностные замены резко снижают сродство к кислороду и даже придают слабую кооперативность из-за древней структурной связи между сайтом связывания кислорода и интерфейсом мультимеризации.

    Результаты работы А. Pillai et.al. (2021)  показывают, что эволюция способна производить новые сложные молекулярные структуры и функции с помощью простых генетических механизмов, которые включают биофизические особенности в архитектуры более высокого уровня

Эволюция тромбоцитарно-эритроидных клеток

     Эритроциты и тромбоциты позвоночных возникают из общих бипотентных предшественников тромбоцитарно - эритроидных клеток (TEP). Также хорошо известно, что мегакариоциты и эритроциты млекопитающих генерируются из общих бипотентных предшественников мегакариоцитов-эритроцитов (MEP) ( Debili N., et.al., 1996).

    У млекопитающих мегакариоциты образуются путем эндоредупликации мегакариобластов с образованием полиплоидных клеток. После достижения состояния плоидности 8–64N мегакариоциты продуцируют тромбоциты.   Ключевым медиатором этого процесса является тромбопоэтин (TPО).

   Эритроциты также развиваются из MEP через несколько стадий  предшественников: эритроид (BFU-E), колониеобразующие единицы - эритроид (CFU-E) и эритробласты. Наиболее заметными факторами, регулирующими эритропоэз in vivo и ex vivo, являются эритропоэтин (EPO) и фактор стволовых клеток (SCF или лиганд KIT, KITL). Примечательно, что эритробласты млекопитающих подвергаются конденсации хроматина и экструзии ядра, что приводит к образованию энуклеированных зрелых эритроцитов ( Muir A., and Ker D., 1958).  Напротив, позвоночные, не являющиеся млекопитающими, имеют зародышевые овальные диплоидные тромбоциты и эритроциты. Как и у млекопитающих, было показано, что обе эти линии происходят от бипотентных предшественников, называемых предшественниками тромбоцитов-эритроцитов (TEP) -  клеток, эквивалентных MEP млекопитающих.

   Фенотипически очень похожие друг на друга эритроциты и тромбоциты млекопитающих развили некоторые ключевые эволюционные улучшения в процессе дифференцировки эритроидов и тромбоцитов, такие как энуклеация эритроидов, эндоредупликация мегакариоцитов и образование тромбоцитов.

   Эритротромбоцитарная дифференцировка регулируется несколькими цитокинами  многие из которых оказывают широкое влияние на все гематопоэтические линии. 

Эритропоэтин и тромбопоэтин

    Наиболее важными факторами, регулирующими эритропоэз, являются EPO  и SCF. EPO взаимодействует со своим родственным рецептором EPOR и способствует самообновлению, выживанию и дифференцировке предшественников эритроидов, тогда как SCF обеспечивает пролиферацию этих предшественников. Другие важные факторы, которые контролируют эритропоэз, включают фактор роста фибробластов 2 (FGF2) , инсулин, инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF1) , трансформирующий фактор роста α (TGF α ) и TGF β члены семейства (TGF β , костный морфогенетический белок 4, BMP4) и глюкокортикоиды (GC, такие как дексаметазон). Эти факторы могут либо способствовать самообновлению предшественников эритроидов, либо участвовать в их дифференциации в зависимости от взаимодействующих сигналов. Другими цитокинами, которые действуют синергетически с факторами, ограничивающими клон, и которые могут влиять на пути дифференцировки эритроидов и тромбоцитов, являются интерлейкин 3 (IL3), IL6, IL11, гранулоцитарно-колониестимулирующий фактор (G-CSF), гранулоцитарно-макрофагальный CSF (GM- CSF)  и ранее упомянутый SCF. Эти факторы действуют как ранние модуляторы предшествующих предшественников в дифференцировке эритроидов и тромбоцитов, управляя их самообновлением или способствуя созреванию мегакариоцитов. Другие цитокины, участвующие в дифференцировке тромбоцитов, созревании мегакариоцитов или биогенезе тромбоцитов, включают, кроме ТPО, также IL12 и SDF1. TPO взаимодействует со своим родственным рецептором TPOR (c-MPL) . Его сигнализация, по-видимому, настоятельно необходима для тромбопоэза, поскольку мыши, у которых отсутствует передача сигналов c-MPL, являются высоко тромбоцитопеническими.

    Интересно, что сигналы EPO и TPO имеют много общих черт. Оба лиганда принадлежат к семейству цитокинов четырехспирального пучка и имеют высококонсервативный аминоконцевой домен EPO / TPO.   У млекопитающих С-концевая часть ТРО кодирует высокогликозилированный домен, который отсутствует у позвоночных, не относящихся к млекопитающим, и его роль у млекопитающих заключается в регуляции периода полураспада ТРО в кровообращении. EPO и TPO имеют четыре консервативных остатка цистеина (Cys), которые образуют дисульфидные связи отвечает за сохранение третичной структуры лиганда . Важно отметить, что EPOR и TPOR также напоминают друг друга. Оба рецептора принадлежат к семейству рецепторов цитокинов типа I.

    Ни EPOR, ни TPOR не обладают внутренней ферментативной активностью, и их передача сигналов в первую очередь зависит от ассоциированной Janus-киназы 2 (JAK2)

   Эритротромбоцитарные клетки млекопитающих и не млекопитающих, по-видимому, сильно различаются в результате дивергентной эволюции. Было показано, что млекопитающие и птицы отделились от своих ящероподобных предков 310 миллионов лет назад. С тех пор некоторые аспекты дифференцировки эритроидов и тромбоцитов изменились; эритроциты взрослых млекопитающих обладают уникальной особенностью энуклеации, а тромбоциты млекопитающих представляют собой не отдельные клетки, а фрагменты мегакариоцитов. Эти приспособления, вероятно, улучшали биологическую активность соответствующих клеток, что можно продемонстрировать на нескольких примерах. Энуклеированные эритроциты более гибки, а отсутствие ядра создает больше внутриклеточного пространства для гемоглобина. Это обеспечивает типичную двояковогнутую форму, увеличивая площадь поверхности для эффективного обмена кислорода . Тромбоциты млекопитающих вырабатываются в очень большом количестве (тысячи тромбоцитов на один мегакариоцит) по сравнению с тромбоцитами не млекопитающих и намного меньше и более гибки. Эти особенности обеспечивают их эффективное распространение и повышенное сопротивление сдвиговым силам жидкости.

    Эволюция эритроцитов и ​​тромбоцитов позволиа развиться более тонким капиллярам у млекопитающих, предотвращая их возможную закупорку, что  обеспечило преимущество выживания ранним видам млекопитающих.

    Однако эти усовершенствования также поднимают вопрос об эволюционном происхождении этих клеток. Гипотетически, эритроциты и мегакариоциты млекопитающих могли развиваться de novo , функционируя как аналоги эритроцитов и  тромбоцитов.  И наоборот, они могли эволюционировать как возможное улучшение от наследственных эритротромбоцитарных клеток. В этом случае эритроциты и тромбоциты млекопитающих и не млекопитающих следует считать гомологами.  Последняя гипотеза представляется более вероятной.

    Во-первых, первоначальная фиксация обеих линий требует участия сходных сигнальных путей и факторов транскрипции во всем типе позвоночных. Наиболее значимыми факторами, необходимыми для дифференцировки эритроидов, которые, как было установлено, функционально консервативны от рыбы к человеку, являются FOG1, GATA1, GATA2, KLF1 (ортолог рыбок данио Klf4), LMO2, MYB, NFE2, TAL1 и другие. Аналогичным образом , перечень законсервированных факторов, которые участвуют в позвоночном тромбопоэзе включает в себя ETS1, FLI1, FOG1, GATA1, GATA2, nFe2, Runx1, TAL1, и другие.

     Во-вторых, было получено множество мутантных линий или нокдаунов рыбок данио, которые повторяют общие расстройства человека, такие как различные типы анемии, протопорфирии или тромбоцитопении. Многие из этих мутантов и нокдаунов поражены в тех же локусах, которые имеют отношение к болезням человека, что дополнительно подчеркивает аналогичные механизмы, лежащие в основе этих процессов.   В-третьих, процессы, вовлеченные в гемостаз, высоко консервативны среди позвоночных млекопитающих и не млекопитающих ; эритроциты  и тромбоциты активируются одними и теми же стимулами, а свертывание крови происходит практически идентичным образом.  

    В-третьих, процессы, вовлеченные в гемостаз, высоко консервативны среди позвоночных млекопитающих и немаммалек; эритроциты  и тромбоциты активируются одними и теми же стимулами, а свертывание крови происходит практически идентичным образом. Предшественники CFU-E способны не более чем на 6 клеточных делений , а мегакариоциты эндоредуплицируются примерно от 2 до 5 раз с образованием 8–64н клеток. В соответствии с этим наблюдением, исследование указывает на то, что число клеточных делений во время дифференцировки эритроидов и тромбоцитов данио рерио близко соответствует видам млекопитающих : предшественники BFU-E рыбок данио способны к 9-15 делениям клеток, в зависимости от кооперации сигналов, предшественники CFU-E могут подвергаться 6 клеточным делениям, а тромбоциты могут подвергаться 5 клеточным делениям во время их терминальной дифференцировки.

Интегрированная модель кроветворения

    «Интегрированной модели кроветворения» , предполагает, что, несмотря на явные фенотипические различия между мегакариоцитами млекопитающих и тромбоцитами не млекопитающих, существует четкая связь между эритроидом и тромбоцитом млекопитающих и не млекопитающих. клетки с точки зрения их молекулярного контроля и потенциала пролиферации. Согласно этой модели эритроциты и мегакариоциты млекопитающих эволюционировали в одном направлении, что подразумевает их гомологичные отношения.

     Согласно общепринятой эволюционной гипотезе, виды беспозвоночных и позвоночных разошлись примерно 520–550 миллионов лет назад.  Это привело к огромному расхождению видов и  к de novo параллельному формированию различных аналогичных признаков. Несмотря на то, что многие беспозвоночные животные обладают как эритроцитоподобными, так и тромбоцитоподобными аналогичными клетками, обычно называемыми амебоцитами, целомоцитами, гемоцитами или тромбоцитоидами, эти клетки не считаются прародителями эритро-тромбоцитарных клеток позвоночных.

    Таким образом, эритроциты и тромбоциты, обнаруженные у циклостоматов и рыб, являются первыми клетками, которые эволюционировали в направлении специализации в транспорте кислорода или гемостазе.   Обе клеточные линии, вероятно, впервые появились у прямых предков рыб и обе программы дифференцировки отделяются от одной программы дифференцировки предков после ее дублирования.  Эта точка зрения подтверждается как сходными характеристиками клеток (овальная форма, конденсированные ядра и пролиферация, связанные с дифференцировкой), так и сходными или общими регуляторными молекулами.   Обращает на себя внимание структурное и функциональное сходство между сигналами EPO и TPO, вероятно, происходящими из одного комплекса лиганд-рецептор из-за дублирования. 

    Как EPO, так и TPO обеспечивают существенно избыточную передачу сигналов и активируют сходные пути передачи сигналов и факторы транскрипции. Это было хорошо проиллюстрировано в эксперименте, поскольку TPO расширили предшественники эритроидов  и, что поразительно, TPO в сочетании с SCF и IL11 заменяет передачу сигналов EPO в предшественниках эритроидов, полученных из Epor дефицитных мышей. Наоборот, было показано, что EPO синергизируется с TPО, способствуя росту и созреванию колоний мегакариоцитов.   Эта гипотеза предсказывает существование наследственных организмов позвоночных с однолинейной дифференциацией, что приводит к наследственным эритроцитам / тромбоцитам или эритротромбоцитам с двойной функцией. Программа дифференцировки по одной линии могла быть дополнительно продублирована во время эволюции ранних позвоночных, что привело к появлению специализированных программ дифференцировки эритроидов и тромбоцитов в сочетании с передачей сигналов EPO / TPO.

   Эритроидная и тромбоцитарная дифференциация имеют много общих черт. Помимо фенотипических сходств между эритроцитами и тромбоцитами, обнаруживаемыми у позвоночных животных, не относящихся к млекопитающим, она включает общих предшественников  клеток (TEP / MEP), сходство между передачей сигналов EPO и TPО и общие механизмы передачи сигналов, обеспечивающие приверженность к одной линии. Эти сходства также присутствуют у видов млекопитающих, в то время как основные молекулярные механизмы, определяющие приверженность эритротромбоцитарной линии, по-видимому, эволюционно высоко консервативны. 

     Интегрированная модель кроветворения предполагает, что мегакариоциты и эритроциты млекопитающих, вероятно, эволюционировали в связи с усовершенствованием наследственных аналогов (обнаруженных у позвоночных, не относящихся к млекопитающим), чтобы повысить их биологическую активность во время транспорта кислорода и гемостаза. Это указывает на то, что эритроциты и тромбоциты млекопитающих и немлекопитающих не эволюционировали de novo, а вместо этого являются гомологичными.

   На основе сходства между эритроидной и тромбоцитарной дифференцировкой,  можно предположить , что обе клеточные линии произошли от одной наследственной программы дифференцировки. Вероятно, это было опосредовано дупликацией типа клеток предков и их сигналосомы во время эволюции ранних позвоночных.