Наиболее примитивной клеткой крови, возможно, являлся протогемоцит, который, по – видимому, был первым вовлечен в процессы фагоцитоза и питания.
Многоклеточные
Губки, гребенчатые желеобразные и плакозои вместе с остальными животными (Planulozoa) филогенетически являются самыми ранними ветвящимися линиями животных
Когда появились метазои (губки), их клетки крови - археоциты, уже были способны к фагоцитозу. У диплобластных кишечноплостных (например, гидра) эти клетки встречаются в примитивной мезенхиме или мезоглее и остаются фагоцитами.
Безпозвоночные
Беспозвоночные, которые имеют полость тела и сосудистую систему, содержат третью кожную ткань - мезодерму, образующую мезотелий в целом. Мезотелиальные стенки являются местом происхождения клеток-предшественников крови, называемых гемоцитами.
Четыре основных классификации гемоцитов, говорят о том, что они происходят из мезотелиальной стенки и передаются через филогению от беспозвоночных к позвоночным: прогемоциты превращаются в незрелые клетки-предшественники крови, гиалиновые гемоциты, прогрессирующие в плазматоциты, а затем в моноциты, а элеоциты, развиваются в другие ткани мезодермального происхождения (т.е. желудочно-кишечный тракт), и гранулярные гемоциты, которые развиваются в те гранулоциты, которые вовлечены в фагоцитоз (Hartenstein V., et.al., 2006).
Несмотря на то, что плоские черви и немертинские черви обладают псевдоцеломом, здесь мы можем наблюдать прогрессирующую дифференциация нескольких типов лейкоцитов. У кольчатых червей или сегментированных червей появились дифференцированные клетки, которые распределяли пищу и кислород, причем, некоторым образом, эритроциты эволюционировали в определенных морских или полихетальных кольчатых червях.
Annelida также показывают дифференцировку лейкоцитов, которые напоминают гранулоциты, лимфоциты и моноциты, при этом они демонстрируют клеточно-опосредованный иммунитет, который сохраняется на протяжении всей дальнейшей эволюции.
Моллюски, Членистоногие, Echinodermata и Tunicata обладают по существу теми же свойствами, что и кольчатые черви. Клетки крови позвоночных могут развиваться из оболочников через линию иглокожих, беспозвоночных дейтеростома, хотя аналогичные клетки крови присутствуют в кольчатых червях, моллюсках и членистоногих, протостомах.
Позвоночные
Дифференцировка клеток крови у позвоночных происходит в двух отделах: костном мозге (для лимфоидных и миелоидных клеток) и лимфоидных органах (например, тимус, лимфатические узлы) для лимфоцитов ( Cooper E. 1976)
Происхождение и эволюция клеток крови позвоночных являются сегодня лишь предположительными и противоречивыми, тем не менее, эти вопросы представляют большой интерес, особенно для "сравнительных иммунологов", которые ищут основные тенденции в филогенетическом развитии иммунитета.
Костный мозг считается основным кроветворным органом всех позвоночных, за исключением рыб. Из кровотока примитивные гемопоэтические стволовые клетки (HSC) поступают в костный мозг на последних стадиях развития эмбриона.
В начале эмбриогенеза эритроциты первоначально обнаруживаются в желточном мешке в первые 3 недели беременности человека; последующее развитие сосудистой системы позволяет клеткам крови распространяться на другие эмбриональные ткани. К 6 неделям печень плода становится основным кроветворным органом; к концу второго триместра костный мозг становится основным местом кроветворения.
Как in vivo, так и ex vivo все терминально дифференцированные клетки крови у взрослых организмов происходят из долгоживущих HSC (LT-HSC), которые обладают неограниченной способностью к самообновлению.
Прямые нисходящие потомки HSC, называемые кратковременными HSC (ST-HSC) и мультипотентными клетками-предшественниками (MPP), постепенно утрачивающих способность к самообновлению после фиксации.
Согласно наиболее распространенной классической иерархической модели кроветворения , МРР, кроме того, дают начало общим лимфоидным предшественникам (CLP) и общим миелоидным предшественникам (CMP). CLP отвечают за выработку лимфоидных клеток, тогда как CMP дифференцируются в предшественники гранулоцитов-моноцитов (GMP) и бипотентных MEP / TEP, которые ответственны за генерацию тромбоцитов и эритроцитов (Broudy V., and Kaushansky K., 1995) - наиболее распространенных и специализированных типов клеток взрослого организма.
Несмотря на то, что иерархическая модель гематопоэза была общепринятой в течение многих лет, развитие современных технологий привело к открытию альтернативных гематопоэтических путей, которые являются либо смещением, либо обходом определенных мультипотентных предшественников. Они включает модель смещения миелоидных / лимфоидных клеток , пересмотренную модель гематопоэза у взрослых , модель на основе миелоидов или модель шунтирования миелоидов . Некоторые из этих моделей соответствуют классической иерархической модели и обеспечивают альтернативные пути развития более специализированных типов клеток на гораздо более высоком иерархическом уровне, чем предполагалось ранее.
Первые доказательства, указывающие на прямой путь, ведущий от HSC к MEP, были основаны на идентификации подмножества HSC, отмеченных (LSK) и Flt3 - антителами, которые могли непосредственно вызывать MEP. Это согласуется с последними результатами, еще раз доказывая, что подгруппа LSC CD150 + CD48 - CD34 - HSC способна к кратковременному и долгосрочному восстановлению тромбоцитов, а также восстановлению других эритро-миелоидных, но не лимфоидных клеточных линий.
Обширные эксперименты с одноклеточной трансплантацией выявили наличие долгосрочных репопулирующих предшественников мегакариоцитов (MkRP), мегакариоцитарно-эритроидно-репопулирующих предшественников (MERP) и общих предшественников миелоидных репопулирующих клеток (CMRP) в CD150 +/− CD41 +/− CD34 - LSK клетки. CMRP, как правило, присутствуют во фракции CD34 - LSK клеток, MkRP и MERP, но по-видимому, присутствуют только в CD150 + CD41 - CD34 - LSK или CD150 - CD41 + CD34 -.ЛСК фракция клеток. Также идентифицирован промежуточный путь, соединяющий MkRP и мегакариоциты, причем, недавно охарактеризованы полностью ограниченные предшественники унипотентных мегакариоцитов CD41 + CD42b + LSK.
Важно, что экспериментальные данные, предполагающие альтернативные пути эритроидов и мегакариоцитов, основаны исключительно на экспериментах, проведенных на гематопоэтических моделях млекопитающих, и отсутствуют доказательства их существования у видов позвоночных, не относящихся к млекопитающим. Мы можем только предположить, развились ли эти пути только у млекопитающих или они эволюционно законсервированы. Возможно, что эти механизмы могут играть важную физиологическую роль в стационарном и экстренном гемопоэзе.
Эритроциты
Беспозвоночные
Считается, что самые ранние клетки крови были относительным, но все же, универсалами, участвующими как в фагоцитозе, так и в доставке питательных веществ. Однако, они не выполняли функцию транспорта кислорода .
До появления кровеносных систем мелкие беспозвоночные осуществляли оксигенацию тканей только за счет простой диффузии. Этот механизм до сих пор наблюдается у примитивных животных, таких как губки, книдарии и плоские черви.
Появление 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 наблюдаются 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, но история эволюции эритроцитов остается неясной.
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 лосоя ( 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.
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.
Модельные системы для поддержки предлагаемых изменений от экзотермы к эндотерме были разработаны на основе могих опубликованных 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).
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 определен ( Tufts B., et.al., 2003).
Млекопитающие
Важно отметить, что 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
Все позвоночные, кроме холодноводной рыбы, переносят кислород через гемоглобин, упакованный в эритроциты.
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 эритроцитов 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 маленькие 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. 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 достаточно, 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 может производить новые сложные молекулярные структуры и функции с помощью простых генетических механизмов, которые включают существующие биофизические особенности в архитектуры более высокого уровня
TEP/MEP
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, называемых блореобразующими единицами - эритроид (BFU-E), колониеобразующими единицами - эритроид (CFU-E) и эритробластами. 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.
Несмотря на то что 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. 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, декс).
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.
Оба эти улучшения в эритроцитах и тромбоцитах позволили развиться более тонким капиллярам у млекопитающих, предотвращая их возможную закупорку. Вероятно, что эти улучшения обеспечили 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 млекопитающих тромбоцитов. И наоборот, они могли эволюционировать как возможное улучшение от наследственных эритротромбоцитарных клеток, как обсуждалось ранее, что указывает на то, что эритроциты и тромбоциты млекопитающих и не млекопитающих являются гомологами. Действительно, следующие данные свидетельствуют о том, что последняя гипотеза может быть 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 своих 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.
Лейкоциты
Все виды позвоночных обладают лейкоцитами, которые делятся на несколько различных узкоспециализированных клеточных линий или классов (гранулоциты, макрофаги и лимфоцитs), участвующих в иммунном ответе и восстановлении тканей.
Гранулоциты были сохранены и эволюционировали у разных видов, превращаясь в клетки, которые обеспечивают одну из первых линий защиты хозяина от патогенов.
Нейтрофилы и гетерофилы (функционально аналогичная популяция гранулоцитарных фагоцитов, присутствующая у немлекопитающих и некоторых млекопитающих; Montali, 1988). возникают из общего пула гемопоэтических стволовых клеток и митотических миелоидных клеток-предшественников, которые также могут дифференцироваться в моноциты, эозинофилы и базофилы после воздействия соответствующего фактора роста.
Анализ пропорционального состава общих миелоидных лейкоцитов (WBC) показал интересные изменения в распределении гранулоцитов по разным классам видов.
Распределение гранулоцитов в зависимости от класса видов
Линии челюстных рыб, представленные акулами и скатами, сохраняют как большинство гетерофильной популяции (49,0%), так и меньшинство нейтрофильной популяции (1,6%).
Хладнокровные ; анура (29,7%), чешуйчатые (55,3%), тестудины (41,9%) и крокодилы (43,7%); сохраняют большую популяцию нейтрофилов/гетерофилов; хотя пропорции популяции варьировались в пределах родственных отрядов животных и между различными классами видов . Напротив, внутри теплокровных классов и отрядов; aves (84,7%), monotremata (83,8%), сумчатые (82,6%) и плацентарные (81,8%) наблюдается противоположное распределение, и нейтрофилы/гетерофилы были наиболее распространенным типом клеток периферической крови .
Интересно, что базофилы и эозинофилы представлены в отряде бесхвостых (31,5% и 23,2% соответственно).
Аналогичная картина наблюдается в линии рептилий; однако между отрядами здесь есть различия, поскольку у чешуйчатых (10,1%) и крокодиловых (13,8%) доля эозинофилов ниже по сравнению с тестудинами (37,5%). Наоборот, базофилы повышены у крокодилов (27,2%) по сравнению с чешуйчатыми и тестудинами (9,7% и 0,6% соответственно). Предполагая, что внутри близкородственных отрядов, которые имеют сходные места обитания или окружающую среду, отдельные виды предпочитали разные конфигурации миелоидных лейкоцитов.
Эозинофилы присутствуют в виде небольшой популяции в линиях млекопитающих, опять же наблюдались различия между соответствующими классами, поскольку монотрематы имели меньшую долю клеток (6,7%) по сравнению с сумчатыми и плацентарными отрядами, которые имели аналогичные значения (8,2% и 10,0%). соответственно). Напротив, по сравнению со всеми другими классами, базофилы, по-видимому, в значительной степени потеряны из классов млекопитающих однопроходных (0,7%) и сумчатых (0,6%), а меньшая популяция наблюдается у плацентарных животных (1,7%)/
Азурофилы – специализированная популяция миелоидных клеток – достигли своего пика в линии крокодилов (1,5 × 10 9/л и 10,5% соответственно); остается неясным, следует ли классифицировать азурофилы как отдельный тип клеток или как подмножество моноцитов или нейтрофилов.
На каком-то этапе эволюции четвероногих после появления CSF3 и CSF1 гемопоэз в значительной степени перешел в тканеспецифический компартмент костного мозга, что, вероятно, имело значение для распределения лейкоцитов в последующих порядках.
У ранних рептилий, представленных ящерицами отряда чешуйчатых, нейтрофилы становятся доминирующими гранулоцитами с сопутствующим снижением количества базофилов и эозинофилов.
Воспаление
Можно сказать, что основной вклад миелоидных клеток в регуляцию процессов , связанных с воспалением основан на механизмах, которые оттачивались на протяжении сотен миллионов лет эволюции.
От апоптоза к фагоцитозу
Стремление к очищению от умирающих клеток очевидно даже в самых глубоких ветвях филогенеза архей и бактерий, где колониальные биопленки появились как способ, способствующий выживанию в различных средах (Hall-Stoodley L, et.al., 2004). Эти древние колонии (самая ранняя летопись окаменелостей ~ 3,25 миллиарда лет назад) уже демонстрировали признаки специализации многоклеточных организмов, удаляя нефункциональные отработанные клетки для повторного использования питательных веществ и поддержания целостности колонии. Вскоре последовала и многоклеточность, которая более эффективно удаляла вредные агенты.
Ранняя работа H. Ellis и H. Horvitz (1986) на C. elegans идентифицировала генетических участников с основными регуляторными ролями в событиях апоптоза. Было обнаружено, что C. elegans ced-4 кодирует молекулярный шаперон, необходимый для активации ced-3 и стимулирования апоптоза. Напротив, ced-9 противодействовал действию CED-3 и CED-4 в клетках, которые должны были выжить. Теперь мы знаем, что эти гены представляют собой гомологи для фактора активации апоптотической протеазы 1 (Apaf-1), фермента, превращающего интерлейкин-1-бета (ICE) и протоонкогена bcl-2 млекопитающих, соответственно.
Более поздние исследования распространили происхождение этого запрограммированного процесса клеточной гибели на базальные метазои.
Фагоцитоз дал элегантный ответ на все эти проблемы и с тех пор служит основным инструментом обновления клеток и удаления чужеродных захватчиков во всех группах животных. Кроме того, книдарии, такие как Hydra, в значительной степени помогли определить молекулярные события, связанные с апоптозом, и роль фагоцитов в его гомеостатическом вкладе у пребилатерий. Это взаимодействие наблюдается во время его регуляции количества клеток при питании, ремоделировании тканей, гаметогенезе (оогенезе и сперматогенезе), регенерации и аллораспознавании (Reiter S, et.al., 2012).
В одном примере апоптотические интерстициальные стволовые клетки быстро интернализировались во время нормального роста и отпочкования полипов гидры соседними эпидермальными и гастродермальными эпителиальными клетками. В другом случае маленькие питающие клетки гидры интернализировались окружающими ооцитами во время оогенеза. Этот процесс позволил эффективно удалить отработанные клетки и дополнительно обеспечить питанием развивающиеся полипы.
Морфология апоптотических клеток Hydra почти неотличима от таковой у высших многоклеточных животных. Кроме того, биохимические механизмы, опосредующие эти события, сложность участвующих в них семейств генов, а также внутриклеточная локализация и функция ключевых игроков, таких как каспазы и белки семейства Bcl-2, демонстрируют значительную степень консервативности с таковыми у высших многоклеточных животных (Reiter S, et.al., 2012).
Таким образом, вклад фагоцитов в интернализацию и удаление апоптотических клеток, определяемый как efferocytosis, хорошо известен у книдарий и, по-видимому, представляет собой платформенный механизм для поддержания гомеостаза, возникший у базальных многоклеточных животных. Механизм гибели клеток апоптоза Hydra демонстрирует значительно более высокий уровень сложности, чем у Caenorhabditis и дрозофилы . Это говорит о том, что за первоначальным формированием этой новой гомеостатической стратегии последовала селективная потеря генов после дивергенции последнего общего эвметазоанного предка в сторону протостомной клады, а не предполагавшаяся ранее более драматическая эволюция апоптотического механизма от червей к человеку на основе традиционных Coelomata (гипотеза, которая существовала во время ранней характеристики апоптоза C. elegans ) (Edgecombe G., 2011).
Фагоцитоз
В 1882 году И. Мечников обратил внимание на миелоидоподобные клетки личинок морских звезд, реагирующих на вторжение инородного тела (шиповник). Это открытие положило начало изучению врожденного иммунитета и осознанию того, что клеточный иммунитет уже хорошо развит у этих «примитивных» организмов.
Клетки, проявляющие некоторую фагоцитарную активность, называемые амебоцитами, видны на ранних стадиях филогенеза у основных беспозвоночных, у которых еще отсутствует настоящая полость тела (целом) или сосудистая система.
Cnidarians - один из самых основных беспозвоночных, содержит желатиновую матрицу между эктодермой и энтодермой, которая содержит множество амебоцитов, способствующих пищеварению, постоянно пролиферирующих стволовыми клетками и действующих как фагоциты
Филогенетический анализ, направленный на поиск консервативных гомологов, кодирующих белки, важные для фагоцитоза, выявил их раннее присутствие среди подмножества архей. Среди прочего, они включают актиновые нуклеаторы, которые являются монофилетическими игроками и, кроме того, имеют общие уникальные структурные особенности с современным актин-родственным белком (ARP)-2/3
Несмотря на продолжающиеся споры о морфологических особенностях археального предка и относительной эффективности его фагоцитарного механизма, поддержку этой доминирующей модели, описывающей происхождение эукариот, можно найти в клеточной биологии, палеонтологии и наборах биохимических данных (Martin G., et.al., 2013).
Дополнительные свойства, приобретенные во время эукариогенеза, еще больше укрепили платформу для давней эволюционной роли, которую апоптоз и фагоциты играют в гомеостатическом контроле. Эукариоты предков также обрели способность сдерживать молекулярные события запрограммированной гибели клеток внутри мембранных оболочек, что предотвратило высвобождение внутриклеточных компонентов. Возникновение этой сложной эндомембранной системы уникально для эукариот.
Губки (филум Porifera) — это сидячие донные водные организмы, представляющие самую базальную кладу современных многоклеточных животных. У них отсутствуют специализированные органы и нервная система, и поэтому они должны полагаться на индивидуальное поведение ограниченного числа типов клеток для удовлетворения своих физиологических потребностей. Для фагоцитов предков этот вклад был основан на удовлетворении потребностей в питании и решении возникающих проблем с симбиотическими и патогенными микроорганизмами. В соответствии с этой идеей плотоядные губки, такие как Asbestopluma hypogea, уже демонстрируют наличие специализированных мигрирующих клеток, которые способствуют перевариванию разрушенной добычи (Vacelet J, Duport E., 2004). У других губок питательные вещества получают в результате фагоцитоза свободноживущих бактерий и других частиц в толще воды, фильтруемых через камеры губчатых хоаноцитов (Wehrl M, et.al., 2007).
Таким образом, примеры Porifera дополнительно подтверждают раннее присутствие специализированных клеточных механизмов, необходимых для хемотаксиса, фагоцитоза и внутриклеточной деградации, а также использование этих механизмов у базальных многоклеточных животных. Тем не менее, дальнейшие исследования позволят определить, представляют ли эти археоциты (амебоциты) и другие губчатые клетки, микроорганизмы способные интернализовать пищевые частицы и являются ли они настоящими предками фагоцитов, предшествовавшие иммунным гемоцитам и фагоцитарным миелоидным клеткам высших многоклеточных животных, или это - независимая волна клеточной специализации, позволившая сделать сдвиг в получении энергии при отсутствии пищеварительной полости в глубоководных олиготрофных средах (Barreda D., et.al., 2016). Отметим, что что микробы Porifera составляют до 40% объема губки, хорошо известно, что они устанавливают тесные отношения, которые варьируются от мутуализма до ассоциаций хозяин-патоген, и могут располагаться во внеклеточном и внутриклеточном пространствах хозяина. Это дает возможность изучить, как ранние ассоциации хозяин-микроб могли привести к развитию функциональных адаптаций у базальных многоклеточных животных и взаимодействующих с ними микроорганизмов. Неудивительно, что наиболее распространенные бактериальные морфотипы среди микробных сообществ, колонизирующих губки, демонстрируют утолщенные клеточные стенки, множественные мембраны и слизистые капсулы, которые, по-видимому, служат для противодействия фагоцитарной активности археоцитов губок.
Нейтрофилы
Большинство периферических миелоидных клеток крови состоят из гранулоцитов, хотя доля базофилов, эозинофилов и нейтрофилов варьируется в зависимости от соответствующих порядков и родословных. Однако с появлением млекопитающих и птиц нейтрофилы стали преобладающими гранулоцитами крови (Wittkopp P., et.al., 2020).
С эволюционной точки зрения нейтрофилы являются одним из старейших типов иммунных клеток и представляют собой ключевой фактор, ответственный за ответ на инфекцию и повреждение тканей. Эти ранние иммунные компоненты впервые появляются у простых беспозвоночных, таких как книдарии, в виде клеток, называемых амебоцитами.
У высших беспозвоночных эти первичные нейтрофилы принимают форму гемоцитов - клеток, которые обладают многими функциями как нейтрофилов (фагоцитоз, дегрануляция), так и тромбоцитов (способность инициировать свертывание гемолимфы).
У позвоночных эти передние иммунные клетки принимают форму классических нейтрофилов, гранулярных фагоцитов, которые быстро рекрутируются в места инфекции или повреждения. Отходя от своих эволюционных корней, нейтрофилы позвоночных потеряли большую часть своей гемостатической функции и, по-видимому, предназначены для ответа хозяина на инфекцию / повреждение .
Известно, что нейтрофилы участвуют в раннем распознавании и уничтожении инфекционных патогенов. Нарушение в продукции нейтрофилов, эмиграции, хемотаксиса и других функций вызывают спектр первичных иммунных дефектов, характеризующихся восприимчивостью хозяина к инвазивным инфекциям.
После развития нейтрофилы являются доминирующей популяцией лейкоцитов в организме человека. Нейтрофилы созревают в костном мозге упорядоченно, от миелобласта до промиелоцита, от миелоцита до метамиелоцита, образуя полосу, и, наконец, зрелый нейтрофил. Только последние две из этих стадий, форма полосы и зрелый нейтрофил присутствуют в периферической крови. Зрелые нейтрофилы должны иметь ядро с тремя или четырьмя лопастями и зернистую цитоплазму. Приблизительно 100 миллиардов нейтрофилов входят и выходят из циркулирующей крови каждый день . Нейтрофилы происходят из костного мозга и высвобождаются в сосудистую сеть, когда они созревают, и стимулируются инвазивными патогенами и воспалительными сигналами. Хемокины, малые сигнальные молекулы, являются мощными хемоаттрактантами для нейтрофилов в местах инфекции или повреждения тканей. Миграция к месту заражения включает в себя сложный многоэтапный процесс, включающий адгезию нейтрофилов на эндотелиальных клетках, устойчивую адгезию нейтрофилов, экстравазацию через эндотелий и хемотаксическую миграцию. После миграции в место заражения нейтрофил уничтожает патогенный микроорганизм, используя комбинацию активных форм кислорода, полученных из NADPH-оксидазы, компонентов цитотоксических гранул и внеклеточных ловушек нейтрофилов.
Нейтрофилы являются одними из первых клеток, которые реагируют на участки острой инфекции и повреждения клеток, играя ключевую роль в защите хозяина от инфекционных патогенов, а также в развитии и разрешении воспаления.
Чтобы понять сложный воспалительный процесс, вызванный и разрешенный нейтрофилами, были разработаны модели для изучения биологии нейтрофилов. Короткая продолжительность жизни нейтрофилов человека является препятствием в исследовании нейтрофильной биологии in vivo и вызывает in vitro генетические изменения, что делает манипуляции с ними нецелесообразными. Из-за этих ограничений модель исследования биологии нейтрофилов у рыбок данио получила широкое признание. Нейтрофил рыбок данио отражает нейтрофилы млекопитающих, обладая сходной морфологией, биохимическими и функциональными особенностями. Он имеет полиморфное ядро, первичные и вторичные гранулы и оксидазу NADPH. Было разработано и изучено множество моделей первичных иммунодефицитных заболеваний у рыбок данио.
На модели рыбок данио, выяснены механизмы рекрутирования нейтрофилов в места повреждения тканей. Связанные с повреждением молекулярные структуры и хемокины эффективно привлекают нейтрофилы. Перекись водорода, выделяемая поврежденной тканью, является одним из первых аттрактантов нейтрофилов к участкам повреждения тканей.
Хемокины, небольшие сигнальные белки, которые привлекают лейкоциты в определенные места в ткани, впервые появились у рыб ~ 650 миллионов лет назад. Нейтрофилы отвечают на специфические сигнатуры хемокинов от умирающих клеток и способны дифференцировать патоген от неинфицированных клеток. Хемокины, подобные ответным реакциям патогенов, причем , CXCL1, CCL2 и CXCL10, являются мощными аттракторами нейтрофилов, приводящими к развитию воспаления и элиминации умирающих клеток. Хемокин-индуцированное рекрутирование нейтрофилов было сохранено среди видов позвоночных, подтверждая важный процесс, который хемоаттракцион играет в рекрутировании нейтрофилов.
Как только инфекция устранена и клеточный мусор очищен, нейтрофилы должны покинуть место повреждения ткани. Изображения прозрачных рыбок данио с высоким разрешением обнаружили обратную миграцию как метод нейтрофильного разрешения воспаления. Обратная миграция - это процесс, при котором нейтрофилы мигрируют из места инфекции или воспаления, процесс, регулируемый провоспалительными цитокинами.
Когда нейтрофилы сохраняются в ткани, воспаление приобретает хроническое течение Хроническое воспаление, вызванное нейтрофилами, связано с множеством аутоиммунных заболеваний и прогрессированием рака. Нейтрофилы обнаруживаются во многих видах рака и коррелируют с более агрессивным заболеванием и худшим прогнозом. Рекрутирование нейтрофилов в опухолевые клетки происходит таким же образом, как и в инфицированные клетки; хемокины и перекись водорода, продуцируемые опухолевыми клетками, привлекают нейтрофилы в клетки, пораженные опухолью. Считается, что связанные с опухолью нейтрофилы играют роль в прогрессировании рака, воздействуя на внеклеточный матрикс, обеспечивая усиление пролиферации и инвазии раковых клеток. Кроме того, нейтрофилы также подавляют противоопухолевый иммунитет от других типов клеток. Таргетирование нейтрофилов стало желательным терапевтическим вариантом для лечения некоторых видов рака.
Эозинофилы
Эозинофилы или эозинофилоподобные клетки эволюционно сохранялись у позвоночных, включая рептилий и рыб, на протяжении миллионов лет. Это свидетельствует о том, что эти клетки вносят свой биологический вклад в благополучие этих видов
Клетки беспозвоночных представляют собой эволюционных предшественников современных эозинофилов позвоночных. Связи, основанные на биохимическом или генетическом сходстве, ограничены, но включают экспрессию миелопероксидаз, из которых EPX является специфичным для эозинофилов.
Миелопероксидаза (экспрессируемая нейтрофилами) и EPX разошлись примерно 60–70 миллионов лет назад, но не являются достаточно надежными, чтобы указать, когда произошла более ранняя эволюция эозинофильной линии от беспозвоночных к позвоночным.
Эозинофилы позвоночных широко идентифицированы у репрезентативных видов, от рыб до млекопитающих, на световом / гистологическом, электронно-микроскопическом и биохимическом уровнях.
Эозинофилы, содержащие пероксидазу, окончательно идентифицированы у эмбрионов и взрослых рыбок данио, что представляет собой потенциально полезную модель позвоночных, которую можно генетически модифицировать для изучения развития и функций эозинофилов .
Наблюдения за лягушкой подтверждают роль эозинофилов в событиях ремоделирования тканей во время метаморфоза (например, укорочение кишечника головастика сопровождается значительной инфильтрацией эозинофилов), но особая роль эозинофилов в этих сложных метаболических, физиологических и анатомических процессах сохраняется.
Эозинофилы присутствуют у большинства видов птиц. У цыплят, транскрипционно регулируемая дифференцировка эозинофилов-коммитированных миелоидных предшественников (EoP) в зрелые эозинофилы очень похожа на дифференцировку эозинофилов человека.
Мыши, как модель эволюции эозинофилов
Теории об участии эозинофилов во врожденном иммунитете к паразитам, особенно к гельминтам, подверглась критики с появленим конститутивных и условно эозинофильно-дефицитных линий мышей.
Существует множество описаний эозинофилов млекопитающих. Эти эозинофилы хорошо оснащены для уничтожения и / или сдерживания паразитов-гельминтов и их личиночных стадий. Раннее появление в процессе эволюции и накопление исследований иммунных ответов хозяина на гельминтов и других паразитов у линий мышей с дефицитом эозинофилов (например, PHIL , ΔdblGATA ,МBP-1 - / - / EPX - / (т.н. «двойное выбивание» ) представляет собой серьезное возражение против гипотезы значительного избирательного преимущества в защите хозяина во время эволюции эозинофилов.
Действительно, эозинофилы человека в разной степени отличаются от эозинофилов других видов, причем наибольший интерес представляют в этом плане мыши. Эти различия присутствуют на нескольких уровнях, включая происхождение гематопоэтических предшественников, полиморфноядерную морфологию, ультраструктуру ацидофильных специфических гранул, экспрессию, типы и количества катионных и других основных белков в гранулах, поверхностные рецепторы, механизмы активации, секреции и дегрануляция и множество других функционально значимых свойств.
Отсутствие опасных для жизни аномалий развития или функциональных недостатков у линий мышей с дефицитом эозинофилов, по крайней мере, в определенных условиях отсутствия патогенов, присутствующих в большинстве животноводческих, вызывает вопрос о том, почему линия эозинофилов продолжает остается широко распространенной у позвоночных.
Эозинофилы человека и мыши обнаруживают значительные различия в катионных белковых составляющих их конкретных гранул. Например, хотя EPX, MBP-1 и -2 хорошо консервативны, человеческий эозинофил содержит только две катионные рибонуклеазы, EDN (RNase2) и ECP (RNase3) , тогда как гранулы эозинофилов мыши содержат более 7 членов развивающейся семейство рибонуклеаз, ассоциированных с эозинофилами (EARS), которые также экспрессируются другими миелоидными клетками у мышей и других грызунов.
В то время как у всех млекопитающих есть эозинофилы, они легко распознаются на основе ядерной морфологии и окрашивания цитоплазматических гранул, существуют поразительные видоспецифичные различия. Например, эозинофилы человека экспрессируют IgE-рецептор с высокой аффинностью, Fc RI, а эозинофилы мыши - нет. Кроме того, белок Charcot-Leyden crystal (CLC) - основной компонент эозинофилов человека, не имеет функциональных коррелятов в эозинофилах мыши и не имеет какого-либо идентифицируемого ортолога в геноме мыши.
Эозинофилы мыши экспрессируют Siglec F, связывающий сиаловую кислоту Ig-подобный лектин, который является функциональным, но сильно расходящимся ортологом белка эозинофилов человека, В отношении респираторного воспаления эозинофилы мыши имеют отчетливо отличающиеся ответы на хемотаксические цитокины, чем эозинофилы человека. Не менее замечательным и предметом многих исследований являются секреторные рибонуклеазы эозинофилов: EDN и ECP, которые присутствуют в высоких концентрациях в гранулах эозинофилов. EDN и ECP являются одними из наиболее быстро развивающихся функциональных кодирующих последовательностей, известных среди приматов. Ортологичные последовательности у млекопитающих, не являющихся приматами, не могут быть обнаружены методами гибридизации; RNAазы, ассоциированные с эозинофильными мышами, большой кластер одинаково быстро эволюционирующих непересекающихся последовательностей, которые возникли в результате быстрого дублирования и сортировки генов, являются отдаленными ортологами своих человеческих аналогов . Несмотря на быструю эволюцию, все идентифицированные кодирующие последовательности имеют элементы, необходимые для поддержания канонической третичной структуры RNAазы А, и каталитические элементы, необходимые для поддержки ферментативной активности.
Базофилы
Базофилы хорошо известны своей аллергической эффекторной функцией, которая применяется в тесте активации базофилов. Согласно современной литературе, базофилы оказались в центре между врожденным и адаптивным иммунными ответами.
Моноциты
Моноциты - агранулоцитарные клетки тесно связанные с нейтрофилами, с общими факторами роста и выживания, раннего развития, с общими предшественниками и, в некоторых случаях, эффекторными функциями в терминально дифференцированных клетках (Evrard M., et al., 2018; Yáñez A., et al. , 2017).
Увеличение популяций моноцитов, что совпадает с появлением специфического для моноцитов/макрофагов фактора роста CSF1. Эти изменения происходят у экзотермических видов, что позволяет предположить, что данный процесс больше связан с внутренними факторами клетки, чем с внешними, например, такими как окружающая среда.
Популяция моноцитов достигла пика как по количеству, так и по доле внутри класса рептилий, в отрядах; squamata (5,06 × 10 9 /л и 25% соответственно) и testudines (1,2 × 10 9 /л и 19,8% соответственно).
Aves - наиболее тесно связанная филогенетическая группа с рептилиями, поскольку у них есть общий предок. Несмотря на то, что aves потеряли азурофил, они все же сохранили небольшую популяцию моноцитов (4,9%). Аналогичная пропорция наблюдается в более отдаленном классе млекопитающих во всех трех отрядах (однопроходных (8,8%), сумчатых (8,5%) и плацентарных (6,9%), что позволяет предположить, что появление эндотермии могло сыграть решающую роль в распределении моноцитов у теплокровных животных.
Лимфоциты
Появление лимфоцитов было установлено на ранней стадии эволюции позвоночных на основе структур распознавания, клеточной морфологии и тканевой архитектуры.
Лимфоцитоподобные клетки не были описаны за пределами позвоночных, даже у вторичноротых беспозвоночных (например, иглокожих и хордовых). Сами позвоночные делятся на две основные группы: более базальные: бесчелюстные позвоночные и челюстные позвоночные Бесчелюстные, представленные миногами и миксинами, имеют клетки в нескольких различных тканях, которые морфологически напоминают лимфоциты
Эволюционное происхождение лимфоцитов можно проследить путем филогенетического сравнения ключевых признаков. Гомологи реаранжирующих генов TCR и Ig (В-клеточный рецептор) присутствуют у челюстных позвоночных, но не идентифицированы у других групп животных. Напротив, большинство факторов транскрипции, которые необходимы для развития Т- и В-лимфоцитов млекопитающих, принадлежат к мультигенным семействам, которые представлены членами большинства многоклеточных животных, обеспечивая потенциальный мост к ролям предков предпозвоночных (Anderson M., et.al., 2004).
Т- и В-лимфоциты представляют собой эволюционное нововведение в линии хордовых. Чтобы понять генезис этого нововведения, необходимо рассмотреть различные компоненты фенотипа лимфоцитов. Из этих свойств наиболее изученными на сегодняшний день у немлекопитающих организмов являются участие в иммунном распознавании. Оно включают в себя следующее: реаранжировка генов рецепторов Ag, включая Ig и TCR, компоненты аппарата перестройки, такие как ген, активирующий рекомбиназу ( Rag ) . - 1 и Rag-2, и полиморфные гены MHC, которые кодируют структуры презентации Ag (MHC класса I и II). Однако развитие лимфоцитов придает этим клеткам дополнительные свойства, выходящие за рамки их специфичности распознавания. Лимфоциты также приобретают специфические эффекторные функции, пролиферативные механизмы и строго регулируемую продолжительность клеточной жизни, что связывает распознавание антигена с иммунными реакциями, толерантностью и иммунологической памятью. Эти свойства у млекопитающих передаются и поддерживаются сложными регуляторными каскадами транскрипции со многими контрольными точками развития. Степень, в которой это программирование развития является общим для лимфоидноподобных клеток немлекопитающих позвоночных, является отдельным критерием эволюционной гомологии (Shintani, S., et.al., 2000).
У общего предка млекопитающих и хрящевых рыб присутствовали множественные компоненты регуляторных сетей генов, которые действуют в развитии Т-клеток и В-клеток млекопитающих. Однако некоторые факторы, относящиеся к линии В, отличаются по своим тканеспецифическим паттернам экспрессии от их аналогов у мышей.
Кардинальные элементы распознавания адаптивной иммунной системы, иммуноглобулины (Ig), рецепторы Т-клеток (TCR) и гены главного комплекса гистосовместимости (MHC) обнаружены у всех челюстных, но ни один из этих компонентов не выявлен у бесчелюстных позвоночных (Mayer W., et.al., 2002)
Как отмечалось выше, бесчелюстные позвоночные были в центре внимания при поиске эволюционного происхождения адаптивного иммунитета из-за их ключевого положения в филогении хордовых (Cooper M., Alder M., 2006). В 60-х и 70-х годах прошлого века было проведено несколько исследований бесчелюстных позвоночных: миноги и миксины для изучения их иммунного ответа. Иммунизация миног частицами антигенов, такими как убитые нагреванием бактерии и эритроциты млекопитающих, приводила к продукции специфических агглютининов против этих иммуногенов (Finstad J, Good R., 1964). Также было обнаружено, что миксины способны продуцировать специфические агглютинины к гемоцианину лимфы улитки (Thoenes G., Hildemann W., 1970). В дополнение к этим доказательствам гуморального иммунитета у миног и миксин гиперчувствительность замедленного типа к туберкулину и ускоренное отторжение второго набора аллотрансплантата свидетельствовали о клеточно-опосредованном иммунитете.
Бесчелюстные позвоночные, используют лейцин-богатые повторы (LRR) на основе вариабельных рецепторов лимфоцитов (VLR) для распознавания антигена.
Во время сборки генов VLR ( VLRA , VLRB и VLRC ) донорные последовательности, кодирующие LRR, поэтапно копируются в неполные гены зародышевой линии. Собранные гены VLR по-разному экспрессируются дискретными линиями лимфоцитов: клетки, продуцирующие VLRA и VLRC, подобны Т-клеткам, тогда как клетки, продуцирующие VLRB, подобны В-клеткам.VLRA + и VLRC + лимфоциты напоминают две основные линии Т-клеток челюстных позвоночных, которые экспрессируют рецепторы Т-клеток αβ или γδ (TCR), напоминая вкрапленную природу локуса TCRα/TCRδ у челюстных позвоночных, а непосредственная близость локусов VLRA и VLRC облегчает совместное использование донорских последовательностей LRR во время сборки VLRA и VLRC (Das S., et.al., 2015).
Моноклональные антитела, реактивные с различными субпопуляциями Т-лимфоцитов, были описаны у человека, мыши и крысы, а структурный анализ этих антигенов продемонстрировал высокую степень эволюционной сохраненности. В литературе описывается реактивность трех моноклональных антител (mAb), 19-19, альфа-SBU-T4 и альфа-SBU-T8
Тромбоциты
Совпадающая активация врожденного иммунитета и системы свертывания после травмы является филогенетически древней адаптивной реакцией, которую можно проследить до ранних стадий эволюции эукариот и хордовых. У большинства видов беспозвоночных, таких как мечехвост ( Limulus polyphemus ), отсутствуют дифференцированные фагоцитарные клетки и тромбоциты, но у них есть большие ядерные амебоидные зернистые гемоциты. Как только их открытая система кровообращения нарушается, они реагируют на микробные угрозы через общий амебоцитарный и гуморальный путь воспаления и свертывания крови. Давно известно, что лизаты, приготовленные из амебоцитов Limulus , подвергаются коагуляции при воздействии эндотоксина и использовались для обнаружения этого эндотоксина ( Young M., et.al., 1972).
Архетипические функции амебоцитов Limulus обнаружены в тромбоцитах человека, включая агрегацию, адгезию, распространение и высвобождение факторов свертывания на основе гранул. Эти свойства обнаруживаются на протяжении всей филогенетической эволюции как общие антимикробные и провоспалительные реакции на стимулы, которые активируют как каскад свертывания крови, так и фагоцитарные эффекторные клетки.
Немлекопитающие позвоночные, включая ранних хордовых, рыб, птиц, амфибий и рептилий, имеют большие, содержащие ядра, часто веретенообразные тромбоциты, которые опосредуют тромбоцитарную активность (Svoboda O., Bartunek P., 2015).
На протяжении эволюции размеры клеток и размеры ядер тромбоцитов постепенно уменьшались, причем, этот процесс ускорился по мере того, как виды становились более наземными и начинали терморегуляцию. У бесчелюстных рыбоподобных миксин ( Myxine glutinosa ) , хрящевых рыбоподобных акул ( Squalus acanthias ), костистых рыб, таких как данио рерио ( Danio rerio ), и других видов рыб, циркулирующие ядросодержащие тромбоциты имеют некоторые фенотипические особенности и функциональные характеристики, сходные с таковыми тромбоцитов млекопитающих
Полиплоидные эритроциты и их потомство, безъядерные тромбоциты, обнаружены только у млекопитающих. У всех других видов животных клетки, вовлеченные в гемостаз и свертывание крови имеют ядра. Тромбоциты позвоночных, не относящихся к млекопитающим, представляют собой ядерные лейкоциты и считаются функциональными аналогами тромбоцитов млекопитающих (Rowley A., et.al., 1997).
У водных животных, таких как двоякодышащие рыбы ( Neoceratodus forsteri , Lepidosiren paradoxa) адаптированных к наземной жизни, тромбоциты оставались большими и сохраняли большие ядра, при этом развивалась сложная система гранул для эффективной регуляции и поддержания коагуляции и иммунных функций, особенно во время резких изменений, связанных с периодом покоя или в засушливый сезон. Подобные морфологические ассоциации, обнаруженные в тромбоцитах других позвоночных, не относящихся к млекопитающим, были сохранены у земноводных, таких как зеленая лягушка ( Rana clamitans), рептилий, таких как крокодилы ( Crocodylus porosus ), и птиц, таких как курица (Jagadeeswaran P., et.al., 1999). Напротив, у млекопитающих и сумчатых произошли различные существенные эволюционные изменения в процессе эритроидного и тромбоцитарного развития и дифференцировки. Примеры включают эндоредупликацию мегакариоцитов и энуклеацию тромбоцитов, каждая из которых связана с уменьшением размера и улучшением функциональной биофизической морфологии.
Зародышевые клетки, в основном вовлеченные в гемостаз позвоночных животных, называются ядерными тромбоцитами чтобы отличать их от безъядерных тромбоцитов. Наличие безъядерных тромбоцитов и их полипептидных предшественников мегакариоцитов только в костном мозге и / или селезенке млекопитающих позволяет предположить, что некоторые важные особенности физиологии млекопитающих извлекают выгоду из этого уникального механизма для производства ядерных клеток из цитоплазмы большей клетки, по-видимому, основной целью поддержки гемостаза. Тем не менее, поскольку как монотремы , которые являются яйцекладающими млекопитающими, так и сумчатые, которые имеют неплацентарную беременность, обладают мегакариоцитами и тромбоцитами, очевидно, что ни живорождение, ни присутствие плаценты не объясняют эволюцию тромбоцитов у млекопитающих. Следовательно, биологическое преимущество, получаемое от образования безъядерных тромбоцитов полиплоидными мегакариоцитами, остается непонятным.
Известно, что у млекопитающих развились более сложные связи между тромбоцитами и другими иммунными клетками (нейтрофилами, моноцитами и макрофагами) для координации врожденного иммунитета и системы свертывания крови. С эволюционной точки зрения, направленной на защиту от вирусных угроз, адаптация тромбоцитов может быть эффективным способом улучшения реакции хозяина. Тромбоциты являются важными безъядерными элементами иммунной и гемостатической систем, которые имеют минимальный механизм синтеза нуклеотидов или белков для бесконечного производства новых генных продуктов; их способность воспроизводить вирусные частицы ограничена или была показана только для нескольких вирусов с одноцепочечной РНК, таких как вирус Денге и потенциально SARS-CoV-2.
Маленькие тромбоциты без ядер встречаются у представителей всех млекопитающих, так что, похоже, это особенность адаптации. У других позвоночных похожие функции гемостаза выполняются крупными зародышевыми тромбоцитами, которые отличаются более слабой реактивностью.
В дополнение к гомеостатическим функциям возможная роль тромбоцитов в иммунитете, такая как фагоцитоз, также была повышена у различных видов, включая костистых рыб и птиц. Однако механистическое понимание фагоцитарной способности этих тромбоцитов не млекопитающих и их влияния на клиренс патогенов долгое время вызывало споры из-за противоречивых экспериментальных данных. Например, морфологические наблюдения за тромбоцитами показали предполагаемый фагоцитоз микробов, при этом цито -ферментный анализ показал противоречивые результаты, подтверждающие эту идею, особенно у низших позвоночных, таких как костистые. Более того, кажущееся поглощение мишени подвергается сомнению, поскольку тромбоциты обладают разветвленной системой канальцев, открытой к внеклеточной поверхности, которая представляет собой сеть взаимосвязанных каналов клеточной мембраны, необходимых для расширения их клеточных поверхностей и высвобождения различных внутриклеточных компонентов, что делает тромбоцит способным улавливать частицы пассивным образом.
У млекопитающих тромбоциты экспрессируют различные иммунные молекулы, такие как Toll-подобные рецепторы и Fc-рецепторы для распознавания антигена. Экспрессия про-воспалительных белков, таких как IL-1β и CD40L, также отражает потенциальную иммуномодулирующую функцию тромбоцитов; однако их способность усваивать микробы также остается спорной из-за противоречивых данных.
Маленькие реактивные тромбоциты, появляющиеся в эволюции млекопитающих, позволяют запустить процесс формирования сгустков быстрее и предотвращают кровопотерю в случае травмы, но также увеличивают риск тромбоэмболических и сердечно-сосудистых заболеваний. Ежедневно человеческое тело образует около 1 × 10 тромбоцитов, которые вырабатываются в процессе дифференцировки, созревания и фрагментации цитоплазмы зрелых мегакариоцитов. Появление тромбоцитов является конечной стадией дифференцировки мегакариоцитов и сопровождается образованием прямых предшественников, называемых проплатлетами. Ядерные тромбоциты рассматриваются как терминально дифференцированные клетки, которые не способны к дальнейшему делению клеток. Однако, несмотря на отсутствие ядра, в тромбоцитах был подтвержден синтез и транскрипция митохондриальной ДНК и синтез белка, происходящий на основе мРНК из мегакариоцитов ( Saluk J., et.al., 2014).
Мегакариоциты являются высокоспециализированными клетками-предшественниками, которые продуцируют и выпускают тромбоциты в кровообращение. Понимание механизмов, с помощью которых мегакариоциты развиваются и дают начало тромбоцитам, очаровывает гематологов уже более века. Мегакариоциты происходят от плюрипотентных стволовых клеток и подвергаются множественной репликации ДНК без деления клеток в результате уникального процесса эндомитоза. После завершения эндомитоза полиплоидные мегакариоциты начинают фазу быстрого цитоплазматического расширения, характеризующуюся образованием сложной инвагинированной мембранной системы (IMS) и накоплением цитоплазматических белков и гранул, необходимых для функции тромбоцитов. На заключительных этапах развития цитоплазма мегакариоцитов претерпевает массивную реорганизацию в бислообразные цитоплазматические расширения.
Мегакариоциты (МК) возникают из плюрипотентных стволовых клеток в процессе клеточного деления, эндорепликации и созревания. Постепенно в цитоплазму МК проникает демаркационная мембранная система, предназначенная для разграничения предварительно сформированных тромбоцитов.
Одна из теорий заключается в том, что за переходом целых МК (или фрагментов) в кровоток следует их физический распад на тромбоциты в малом круге кровообращения. Вторая теория заключается в том, что МК производят бисерные процессы (проплаттеты), которые впоследствии разделяются на тромбоциты.
Функционально жизненно важные рецепторы тромбоцитов, такие как комплексы GPIIb-IIIa и GPIb-IX, являются специфическими маркерами линии МК. CD34 и CD4 присутствуют в предшественниках, но постепенно исчезают по мере созревания МК. Стромовые клетки выделяют цитокины, производят белки внеклеточного матрикса и опосредуют клеточные контактные взаимодействия, которые регулируют развитие МК. Исследования тромбопоэтина и использование моделей трансгенных мышей помогают уточнить биологию МК (Nurden P., et.al., 1997) .
Многие аспекты биологии и эволюции тромбоцитов остаются неизвестными, особенно в отношении их быстрой реакции на вирусы. Тромбоциты, возможно, эволюционировали вместе с вирусами для того, чтобы обеспечить быстрый ответ, но эта гипотеза остается неподтвержденной. Однако, было показано, что тромбоциты эндоцитируют вирусные частицы и активируются посредством передачи сигналов толл-подобных рецепторов (Banerjee M., et.al., 2020).
Эволюция тромбоцитов включает множество приспособлений для борьбы с вирусными инфекциями. В качестве одного из эволюционных механизмов борьбы с вирусными патогенами в костном мозге развились большие многоядерные мегакариоциты для защиты и обеспечения производства большого количества тромбоцитов. Адаптация к увеличению содержания DNA значительно увеличивает способность производить еще больше тромбоцитов с повышенной плотностью рецепторов; больше органелл на единицу клеточного объема; и больше протромботических белков для сокращения времени кровотечения или адаптации к вирусным угрозам. Кульминацией этого процесса является эволюция тромбоцитов млекопитающих и гемохориальная плацентация, поскольку млекопитающие являются единственной группой позвоночных, развившейся с высокоэффективной и уникальной системой гемостаза. Эволюция тромбоцитов позволила предотвратить быструю кровопотерю и повреждение от массивных травм или микротравм, что особенно важно, когда мозг более развит.
Генезис тромбоцитов человека хорошо изучен и в основном происходит путем экструзии мембраносвязанной, содержащей органеллы цитоплазмы в кровяное русло многочисленных пузырьков небольшого размера и объема в диапазоне от 9,7 до 12,8 фемтолитров или пластинчатых структур диаметром от 2,6 до 2,9 мкм. Этот субклеточный процесс образования пузырей происходит в основном в костном мозге с поверхности мегакариоцитов — самой большой клетки в организме (диаметром от 40 до 100 мкм). У людей покоящиеся тромбоциты представляют собой пластинчатые диски, предназначенные для максимизации плоскостно-поверхностных взаимодействий, которые из-за их небольшого размера и формы биофизически концентрируются в направлении внешних полей сдвига жидкости текущей крови. В совокупности эти свойства улучшают обнаружение и распознавание любых поражений сосудистой стенки, ран или опухолей. Если тромбоциты сталкиваются с базальными мембранами или лежащим в их основе матриксом, тромбоциты подвергаются рецептор-опосредованной активации. Эта активация связана с быстрыми изменениями цитоскелета и мембран с образованием филоподий, ведущих к адгезии .
Добавить комментарий