Биологи создали многоклеточный организм из одноклеточного

Международная группа исследователей изучила геномы зеленых водорослей и выяснила, какие эволюционные механизмы лежат в основе появления многоклеточных организмов. Замена единственного гена одноклеточной водоросли на аналог от многоклеточной, привела к образованию колоний размером от двух до 16 клеток. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Многоклеточные организмы неоднократно появлялись независимо друг от друга в процессе эволюции. У животных этот процесс произошел от 950 до 600 миллионов лет назад и был связан с возрастанием числа и роли генов, кодирующих факторы транскрипции, сигнальные пути и факторы адгезии клеток, которые были получены от одноклеточных предшественников. Наземные растения стали многоклеточными около 750 миллионов лет назад. За столь большие сроки эволюции определить конкретные механизмы, ответственные за переход к многоклеточности, крайне затруднительно.

Научный коллектив под руководством сотрудников Аризонского университета выбрал для изучения зеленые водоросли из порядка хламидомонадовые, поскольку их многоклеточные представители появились около 230 миллионов лет назад, и современные семейства включают одноклеточные (в исследовании использовали Chlamydomonas reinhardtii), многоклеточные недифференцированные (Gonium pectorale) и дифференцированные (Volvox carteri) организмы. Причем Chlamydomonas напоминает одноклеточных предшественников Gonium и Volvox.

Chlamydomonas размножается сериями множественных делений, приводящих к появлению индивидуальных дочерних клеток. Gonium, состоящий из 8 или 16 одинаковых клеток, также размножается множественным делением. Однако клетки остаются присоединенными друг к другу, в результате чего после нескольких циклов деления появляется 8 или 16 дочерних колоний из 8 или 16 клеток каждая. Volvox имеет форму сфероида, поверхность которого представлена примерно 2000 соматических клеток, а внутри находится внеклеточный матрикс с 16 крупными репродуктивными клетками. Он размножается модифицированным множественным делением, при котором асимметричные деления отвечают за разделение клеточных типов.

Полногеномный анализ эволюции перечисленных водорослей показал, что с появлением и развитием многоклеточности связано от 180 до 357 генов, и она не нуждается в крупномасштабных изменениях генома. Главным отличием многоклеточных организмов оказалась особая настройка имеющихся программ контроля клеточного цикла (общее для всех хламидомонадовых множественное деление различается по периодичности и числу делений клеток).

Оказалось, что у Gonium и Volvox, как и у растений и животных, за их регуляцию отвечают гомологи регуляторного пути ретинобластомы. В нем циклинзависимые киназы связываются с белками-циклинами, фосфорилируя ген ретинобластомы RB, который выключает репрессию клеточного цикла. У многоклеточных водорослей гены циклина D1 имеют значительно больший размер. У них также изменен ген RB таким образом, чтобы повышать экспрессию генов, относящихся к многоклеточности, в фазе G1 клеточного цикла.

Чтобы подтвердить роль этого сигнального пути в появлении многоклеточности, исследователи заменили собственный ген RB Chlamydomonas на аналогичный ген Gonium. Это привело к образованию колоний, состоящих из 2—16 клеток, у изначально одноклеточного организма. Выключение гена циклина D1 предотвращало этот процесс.

Олег Лищук