Ядра мезомицетозоев делятся синхронно, как у зародышей животных

На грани перехода к многоклеточности: представитель мезомицетозоев Sphaeroforma arctica. Сфероформа очень близка к креолимаксу, о котором идет речь в статье. Фотография с сайта www.multicellgenome.com

Мезомицетозои — недавно открытые одноклеточные родственники животных. В их жизненном цикле встречаются многоядерные и колониальные стадии, некоторыми признаками напоминающие зародыши обычных многоклеточных животных (например, насекомых). В новой работе показано, что сходство тут не только внешнее, но и физиологическое: ядра мезомицетозоев обладают свойством делиться синхронно, как в ранних зародышах многоклеточных. По мнению авторов исследования, эти данные ставят под сомнение теорию происхождения многоклеточных животных от колониальных жгутиконосцев, которая была практически общепринятой в биологии в течение более чем столетия.

Какие одноклеточные организмы являются самыми близкими родственниками многоклеточных животных? Современный ответ однозначен: это воротничковые жгутиконосцы, или хоанофлагелляты (см. Расшифрован геном хоанофлагеллят — ближайших одноклеточных родичей всех многоклеточных животных, «Элементы», 18.02.2008). Еще в XIX веке было замечено, что клетки этих простейших очень похожи на клетки некоторых многоклеточных животных, а современная биология блестяще подтверждает гипотезу об их родстве. Часто предполагают, что именно от хоанофлагеллят многоклеточные животные и произошли.

Группа простейших, следующая по близости к животным после хоанофлагеллят, называется мезомицетозои (Mesomycetozoea). В одной недавней статье их назвали «загадочными кузенами животных». Действительно, если воротничковые жгутиконосцы — родные братья животных, то мезомицетозои — уж точно двоюродные. Их название означает что-то вроде «среднее между грибами и животными» (meso значит «средний», myceto относится к грибам, а zoa, из хитрых номенклатурных соображений превращенное в zoea, — к животным). На эволюционном древе мезомицетозои занимают положение между хоанофлагеллятами и грибами (рис. 1). Эти одноклеточные организмы обычно лишены жгутиков, зато способны выпускать ложноножки. Питаются они в точности как грибы: осмотрофно, то есть всасывая питательные вещества через клеточную мембрану. Есть морские мезомицетозои, есть даже паразитирующие в человеке, но большинство из них — паразиты разнообразных водных животных. Известно также, что на некоторых стадиях жизненного цикла у мезомицетозоев бывает клеточная стенка, причем состоящая не из хитина, как у грибов, а из целлюлозы. Но вот как раз их жизненный цикл до последнего времени был известен очень плохо. Это и неудивительно, учитывая, что толком изучать мезомицетозоев начали только в 1990-е годы.

Рис. 1. Эволюционное древо животных и их родственников. Не все указанные здесь группы обсуждаются в тексте. Opisthokonta (заднежгутиковые) — общее название эволюционной ветви, к которой относятся животные, воротничковые жгутиконосцы, мезомицетозои и грибы. Ветвь Holozoa грибов не включает. Creolimax fragrantissima просто не успел попасть на эту схему, опубликованную в 2009 году. Судя по современным данным, его место — внутри Mesomycetozoea, между Sphaeroforma arctica и Amoebidium parasiticum. Иллюстрация из статьи Mikhailov et al. The origin of Metazoa: a transition from temporal to spatial cell differentiation (PDF, 611 Кб) // Cell & Molecular Biology, BioEssays. 2009. V. 31. P. 758–768

Между тем, детальное знание устройства мезомицетозоев, и особенно их жизненного цикла, может иметь огромное значение для решения проблемы происхождения многоклеточных животных. На всякий случай заметим, что «многоклеточные животные» и просто «животные» — это синонимы, обозначающие группу с латинским названием Metazoa. Термин «одноклеточные животные» сейчас полностью вышел из употребления, никаких одноклеточных организмов к животным больше не относят. Так вот, непосредственного предка многоклеточных животных мы не знаем. Нельзя исключать, что по каким-то признакам он мог быть ближе к мезомицетозоям, чем к воротничковым жгутиконосцам. Последние хоть и близки к животным, но далеко не во всем на них похожи, они явно успели пройти собственную длинную эволюцию. Зато нет сомнений в том, что группа (Metazoa + Choanoflagellata + Mesomycetozoea) в целом является тесной и единой; она характеризуется, например, несколькими общими уникальными генами. В современных работах эту группу называют Holozoa (букв. «все животные»).

В 2008 году канадскими учеными был описан новый представитель мезомицетозоев, получивший название Creolimax fragrantissima. Это паразит кишечника морских беспозвоночных (главным образом червя Phascolosoma agassizii, относящегося к типу сипункулид). Его образ жизни и облик типичны для мезомицетозоев, насколько в этой странной группе вообще можно говорить хоть о чем-то типичном. Для ученых, интересующихся эволюционными корнями многоклеточных животных, это вполне достойный объект.

В Институте эволюционной биологии в Барселоне (Institut de Biologia Evolutiva, IBE) есть целая лаборатория, занимающаяся проблемой происхождения многоклеточных животных. Руководитель этой лаборатории Иньяки Руис-Трильо (Iñaki Ruiz-Trillo) и его сотрудник Хироси Суга (Hiroshi Suga) решили культивировать Creolimax fragrantissima в искусственных условиях, чтобы исследовать его жизненный цикл как можно подробнее.

Методы они применили самые новые. Для облегчения наблюдений в геном креолимакса были внедрены гены, заставляющие его клетку синтезировать искусственные флуоресцентные (способные к свечению) белки. Технология генной инженерии позволяет встраивать эти гены таким образом, чтобы их продукты синтезировались вместе с определенными естественными белками, интересующими исследователей: например, с белком тубулином, образующим микротрубочки — элементы внутриклеточного скелета (цитоскелета), от которых зависит движение хромосом и ядер при делении клеток. В результате область, где активно синтезируется тубулин, оказывается заодно окрашена в цвет флуоресцентного белка (например, красный). Вместе с этим методом использовались и другие, например связывание того же тубулина с флуоресцирующими антителами, способными специфически узнавать отдельные белки. Такой метод называется иммунофлуоресцентным. В общем, в изучении креолимакса был задействован мощный арсенал современной лабораторной биологии.

Рис. 2. Жизненный цикл Creolimax fragrantissima. A — электронная микрофотография колониальной формы. B — схема жизненного цикла: I — одноядерная клетка, II, III — многоядерная клетка, IV — выход амеб, IV' — колониальная форма, V — отдельная подвижная амеба. C — световая микрофотография многоядерной клетки (соответствует стадии II на рисунке 2B. В красный цвет окрашены ядра (C), в центре клетки большая вакуоль (V). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Developmental Biology

Итак, жизненный цикл Creolimax fragrantissima начинается с маленькой одноядерной клетки (рис. 2B, I). Она растет, увеличиваясь в размере примерно в десять раз, приобретает клеточную стенку и становится многоядерной (рис. 2B, II–III). Прямо внутри этой многоядерной клетки постепенно формируются клетки следующего поколения — вновь одноядерные, очень мелкие и подвижные. Они лишены жгутиков и перемещаются, быстро меняя свою форму, а потому называются амебоидными, или даже просто амебами (хотя на известную нам из учебника зоологии обыкновенную амебу они похожи мало). Амебоидные клетки выходят из материнской клетки через разрывы в ее клеточной стенке (рис. 2B, IV), и активно перемещаются, заселяя окрестное пространство (рис. 2B, V). Дальше цикл повторяется: каждая амеба способна созреть, начать расти, стать многоядерной и размножиться.

В старой культуре креолимакса жизненный цикл протекает по-другому. Там амебы покрываются оболочками (инцистируются), вообще не покидая материнскую клетку. В результате образуется колония покоящихся амеб, очень похожая на ранний зародыш многоклеточных животных (рис. 2B, IV'). Некоторые исследователи называют подобное состояние «псевдомногоклеточным». Возможно, в псевдомногоклеточном состоянии амебы креолимакса переживают неблагоприятный период, чтобы активизироваться, когда вокруг станет больше пространства и пищи; детали этого пока не выяснены.

Интересно, что когда созревающая клетка креолимакса становится многоядерной, все ядра у нее располагаются в поверхностном слое цитоплазмы, прямо под клеточной мембраной (рис. 2C). В этом отношении развивающийся креолимакс очень напоминает ранние зародыши некоторых многоклеточных животных, в особенности насекомых. У последних зародыш до стадии нескольких десятков ядер представляет собой одну большую клетку (синцитий) и только потом разделяется на маленькие одноядерные клетки.

Очень важной чертой самых ранних стадий развития многоклеточных животных является синхронность делений. Это означает, что все клетки зародыша (или все ядра зародыша, если он синцитиальный) какое-то время делятся строго одновременно, так что их число остается степенью двойки: 4, 8, 16, 32... А есть ли что-то подобное у креолимакса? Естественно, исследователи из Барселоны не могли не заинтересоваться этим. Они проделали тонкие наблюдения и получили однозначный ответ: да, в многоядерной клетке креолимакса все ядра делятся синхронно, точно так же, как в раннем развитии многоклеточных (рис. 3). Вероятно, здесь действуют очень похожие механизмы.

Рис. 3. Синхронное деление ядер у креолимакса. Три фотографии показывают последовательные состояния. Ядра окрашены в красный цвет. Отмечены ядра, на которых синхронность деления хорошо видна. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Developmental Biology.

У колониальных воротничковых жгутиконосцев (у тех из них, у кого это изучено) такая синхронность отсутствует: клетки, образующие колонию, делятся там вразнобой. Похоже, по этому признаку мезомицетозои более близки к животным, чем хоанофлагелляты.

Стоит вспомнить, что еще в 1873 году английский зоолог Рэй Ланкастер (Ray Lankaster) предложил теорию, согласно которой многоклеточные животные произошли не от колониальных жгутиконосцев (как считает большинство ученых до сих пор), а от колониальных амеб. Современные исследования мезомицетозоев показывают, что такую вероятность, по крайней мере, нельзя полностью исключить.

Впрочем, Иньяки Руис-Трильо и Хироси Суга считают, что полученные ими результаты вообще ставят под сомнение версию о происхождении многоклеточных животных от колониальных одноклеточных. Ведь существуют и альтернативы ей. В 1944 году словенский зоолог Йован Хаджи (Jovan Hadži) опубликовал так называемую поликарионтную теорию, ставшую более известной как теория целлюляризации (рис. 4). По мнению Хаджи, предком животных было некое сложное простейшее, одноклеточное, но многоядерное («поликарионт», от poly — много и karyon — ядро). Он считал, что это была инфузория. В дальнейшем тело многоядерной инфузории разделилось перегородками на отдельные клетки. Этот процесс можно назвать целлюляризацией — «созданием клеток» (от cellula — клетка). После целлюляризации бывшие органеллы клетки инфузории превратились в многоклеточные структуры: так образовалась пищеварительная, выделительная, мышечная и даже нервная система.

Рис. 4. Две основные теории происхождения многоклеточных животных. Вверху — колониальная теория (одна из версий), внизу — теория целлюляризации. Иллюстрация из книги Барнс Р., Кейлоу П., Олив П., Голдинг Д. Беспозвоночные: новый обобщенный подход. М., 1992.

Против теории Хаджи нашлось очень много возражений. Во-первых, инфузории обычно не бывают многоядерными. Во-вторых, инфузории — вообще не родственники животных. В-третьих, из органелл даже очень сложной клетки вряд ли могли образоваться органы многоклеточного животного: они устроены совершенно иначе, и электронная микроскопия это показала. В результате теория Хаджи была быстро оставлена. После 1970-х годов о ней если и упоминали, то как о курьезе, интересном разве что историкам науки. Общепринятой была — и остается по сей день — идея, что предки многоклеточных животных были не многоядерными, а колониальными.

Но ведь то, что наблюдают Руис-Трильо и Суга у креолимакса, — это самая настоящая целлюляризация. А что, если все-таки именно такой тип развития и был для животных исходным?..

Старые теории, даже самые необычные, не стоит полностью забывать. Иногда они возрождаются.

Источник: Hiroshi Suga, Iñaki Ruiz-Trillo. Development of ichthyosporeans sheds light on the origin of metazoan multicellularity // Developmental Biology. 2013. V. 377. P. 284–292.

Сергей Ястребов