Как многоклеточные научились управлять своими клетками
Прототип молекулярного «пульта управления», с помощью которого многоклеточные управляют своими клетками, есть и у некоторых одноклеточных.
Переход от одноклеточного существования к многоклеточному поставил перед живыми организмами непростую задачу – им нужно было научиться управлять всеми своими клетками так, чтобы они не разбежались и не мешали друг другу.
У современных многоклеточных есть сложная система молекулярных сигналов, с помощью которых клетки общаются между собой: такие сигналы нужны для распределения обязанностей в ходе индивидуального развития (то есть чтобы нейрон стал нейроном, а мышечная клетка – мышечной клеткой), для согласованного ответа в случае неблагоприятных обстоятельств и т. д. Одноклеточным – разнообразным амёбам, инфузориям, фораминиферам и прочим – всё это как будто не нужно по определению, и возникает вопрос, как возникла система управления многоклеточностью – не могла же она упасть с неба.
Однако мы знаем много примеров, когда какое-то приспособление, какая-то молекулярная или структурная уловка в ходе эволюции перепрофилировалась, «модернизировалась» и начинала служить иным задачам. И молекулярно-генетический «пульт управления» множеством клеток на самом деле мог в каком-то виде существовать у одноклеточных. Но для чего он был бы им нужен? Например, для регуляции разных жизненных стадий.
В статье в Developmental Cell исследователи из Университета Помпеу Фабра рассказывают про амёбу Capsaspora owczarzaki, которая живёт в качестве симбионта в крови (точнее, в гемолимфе) у одной тропической пресноводной улитки. Амёбы в течение жизни проходят через несколько состояний, время от времени собираясь вместе. Очевидно, в зависимости от жизненной стадии у них меняется активность генов, а значит, и набор белков, кодируемых этими генами. Более того, поведение самих белков тоже может меняться.
Активность белков часто зависит от фосфорилирования: когда к белковой молекуле присоединяется или отсоединяется остаток фосфорной кислоты (фосфат), то модифицированная молекула «просыпается» и начинает что-то активно делать или, наоборот, «засыпает». Ферменты, которые навешивают фосфаты на другие белки, называются киназами, и их существует великое множество: они специализируются на разных белках и даже на различных участках внутри одной и той же крупной белковой молекулы, которая, грубо говоря, с разных боков может быть промодифицирована разными киназами. Короче говоря, эти ферменты выполняют очень много сигнально-координирующей работы – как внутри клеток, так и между клетками.
Как оказалось, амёбы C. owczarzaki, переходя из одной стадии в другую, меняют активность генов и ферментов-киназ подобно тому, как оно происходит у многоклеточных. Правда, у многоклеточных различия эти мы видим здесь и сейчас, переходя от одной ткани к другой, от одного органа к другому. Амёбы же используют сходные сигналы при смене фаз жизненного цикла.
В частности, авторы работы описывают изменения амёбных тирозиновых киназ (ферментов, модифицирующих остатком фосфорной кислоты аминокислоту тирозин в белках), которые у многоклеточных широко используются для обмена сообщениями между клетками и которые у одноклеточных, вообще-то, мало активны – просто в силу их одноклеточности. Однако C. owczarzaki мало того, что используют тирозиновые киназы в течение всей жизни – активность ферментов ещё и меняется в зависимости от того, на каком этапе жизни находится амёба.
Пример C. owczarzaki говорит о том, что, по крайней мере, у некоторых одноклеточных есть некоторые наработки, которые, при некотором усовершенствовании могут быть использованы для одновременного управления множеством клеток, составляющих многоклеточный организм. Возможно, нечто подобное можно найти и у других простейших, которые склонны время от времени собираться вместе (вроде слизевиков, которые служат одним из самых распространённых объектов у исследователей, занимающихся вопросами становления многоклеточности).
Также возможно, что в далёком прошлом таким одноклеточным было проще сделать решающий шаг и превратиться в первые многоклеточные организмы. И не стоит так уж удивляться ситуации, когда у относительно простых существ на молекулярном уровне есть «заготовки» для возможного усложнения.
Два года назад мы писали о том, что у примитивных позвоночных во время эмбрионального развития гены работают так, как если бы их мозг был намного сложнее, чем он есть на самом деле, а ещё несколькими годами ранее в журнале Nature выходила работа, в которой говорилось, что у полухордовых животных с очень простой нервной системой есть комплекс сигнальных белков, необходимых для формирования сложного дифференцированного мозга, свойственного хордовым.
По материалам ScienceNews.
