Экспериментально показано образование многоклеточных эукариот из одноклеточных предков

Автор: Елена Наймарк 

Обычные дрожжи (слева) превратились в многоклеточный организм (справа) с помощью закрепления нужных мутаций в ходе искусственного отбора. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в PNAS

Известно, что настоящие многоклеточные животные образовались на базе эукариотической клетки, хотя жизнь на планете испробовала для этой цели разные пути. Каким образом это могло происходить? В экспериментах на одноклеточных дрожжах ученые получили с помощью искусственного отбора многоклеточные ассоциации. Кластеры нарастали за счет того, что дочерние клетки после деления оставались вместе с материнскими, а не из-за слипания одиночных клеток, как это наблюдается в бактериальных пленках. Мутации, обеспечившие многоклеточность, оказались устойчивыми, а в пределах многоклеточных кластеров даже наметилось разделение функций.

Как принято сейчас считать (и, скорее всего, так оно и было), многоклеточность в истории земной жизни возникала не один раз. Мало того, в рамках этой темы мы сейчас помимо настоящих многоклеточных организмов обсуждаем разнородные ассоциации клеток, сформированные на базе бактерий, одноклеточных водорослей и простейших. Последние могут быть колониальными в течение всего жизненного цикла, как, например, шарик вольвокса, а могут превращаться в многоклеточный организм только по необходимости, как это происходит у колониальных амеб Dyctiostellium (см. Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток, «Элементы», 22.12.2011).

Многочисленные модели показывают, что настоящая многоклеточность может получиться только на базе эукариотической клетки и только из клеток, обладающих единообразным геномом. Предположим, что эукариотическая клетка уже существует; каким образом она превращается в многоклеточный организм? Что делает из законченного эгоиста, каковым является любой одноклеточный организм, совершенного коллективиста — представителя слаженного ансамбля клеток многоклеточного, в котором возможность размножаться оставлена только избранным? Первым этапом этого необычайного превращения является отказ расходиться после деления, затем дифференциация функций и структуры.

Почему клетки одноклеточных перестают расходиться после деления? В предыдущих исследованиях было, например, показано, что обычная одноклеточная водоросль хлорелла формирует восьмиклеточные конгломераты, если хлореллу в культуре активно выедают жгутиконосцы. Клетки водоросли, увеличивая размер, защищаются от истребления. Однако других примеров эукариот, которые демонстрируют переход от одиночной жизни к коллективной, пока нет. В этом смысле работа американских ученых из Миннесотского университета весьма полезна: ученые проследили весь процесс превращения отдельных клеток дрожжей в многоклеточные ассоциации. Они сделали акцент на механизме формирования многоклеточных структур и показали начальные этапы разделения функций у клеток в клеточных ассоциациях.

Многоклеточные кластеры, названные снежинками, которые получили в ходе отбора на многоклеточность. В левом верхнем углу одиночные клетки дрожжей, с которых стартовал эксперимент; остальные картинки слева — фенотип многоклеточных кластеров из разных линий (с 1-й по 5-ю линии), справа — общий вид осажденных кластеров. Фото из обсуждаемой статьи в PNAS

Эксперимент был поставлен следующим образом. Культуру дрожжей рассадили в десять пробирок. Затем в каждой из 10 линий провели отбор на «многоклеточность»: ежедневно пересаживали самую нижнюю фракцию культуры. Рецепт такой: сначала взболтать, потом дать постоять 45 минут, всё слить, оставив для пересаживания нижние 10 мл с клетками. Так как клеточные агрегаты тяжелее одиночных клеток, то они будут осаждаться быстрее. Поэтому в нижней части раствора доля клеточных агрегатов становилась всё выше. В результате отбора во всех пробирках через 2 месяца вырастали преимущественно клеточные агрегаты; микробиологи назвали получившийся фенотип «снежинками». Действительно, клеточные агрегаты хоть и не обладали строгой симметрией настоящих снежинок, но демонстрировали приблизительную центральную симметрию и имели разветвленные выросты, так что вполне соответствовали своему нику. Генотип этого новообразования оказался стабильным: когда отбор на многоклеточность сняли (продолжали пересаживать клетки, но из хорошо перемешанного раствора), то дрожжи всё равно формировали фенотип снежинок.

Процесс деления кластера, фотографии (кроме второй) сделаны с интервалом в 1 час; стрелка показывает отделение дочернего кластера. Из обсуждаемой статьи в PNAS

Диаграмма распределения размера материнских и дочерних кластеров: синие столбики — материнские, а белые — дочерние. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Снежинки теоретически могли получиться двумя способами. Во-первых, за счет слипания одиночных клеток, во-вторых, из-за отсутствия расхождения клеток после деления. Весь процесс образования агрегатов был заснят, так что можно увидеть его воочию. Кроме того, помогли и биохимические тесты по дифференциальному окрашиванию клеточных структур (клетки в снежинке соединяются в местах образования почек дочерних клеток). И то и другое безоговорочно доказывает, что многоклеточные снежинки происходят вторым способом: клетки после деления не расходятся. Достигая определенного размера, кластер отделяет многоклеточного потомка; дочерний кластер по диаметру меньше родительского примерно в три-пять раз.

Правила игры в дочки-матери эволюционировали, как выяснилось, вместе с размером кластеров. Чем больше кластер, тем хуже питаются центральные клетки и, следовательно, тем медленнее кластер растет. Значит, число его потомков станет уменьшаться по мере увеличения кластеров. Вместе с тем, увеличение числа потомков есть наинасущнейшая задача любого организма. Значит, новому многоклеточному организму нужно изобрести способ одновременно быстро расти и оставлять много потомков. В ходе отбора этот способ был найден: увеличить число клеток, подвергшихся апоптозу, то есть клеточному самоубийству. Отмершие клетки становятся слабым звеном в системе клеточных связей, таким образом облегчается отделение дочерних кластеров. Апоптоз — явление обычное для дрожжей, но здесь оно приобрело новое значение. В результате у многоклеточных дрожжей появилось своеобразное разделение функций: часть клеток размножается, а часть жертвует возможностью оставить собственных потомков и отмирает во благо остальных.

Источник: William C. Ratcliff, R. Ford Denison, Mark Borrello, Michael Travisano. Experimental evolution of multicellularity // PNAS. 2012. Published online 17 January.