Одноклеточная капсаспора становится многоклеточной в ответ на сочетание химических стимулов

Рис.1. Клетки Capsaspora owczarzaki под флуоресцентным микроскопом. Фото с сайта flickr.com

Одноклеточный симбионт тропических улиток — капсаспора — оказался способен переходить в примитивное многоклеточное состояние в ответ на химические стимулы в виде ионов кальция и липопротеинов низкой плотности. Этот факт может многое рассказать о том, как мы сами стали многоклеточными: капсаспора — один из ближайших родственников животных.

Недавно научный (и научно-популярный) мир всколыхнула новость об эволюционном эксперименте, в котором дрожжи обрели примитивную многоклеточность всего лишь за 600 дней искусственного отбора, да еще и по довольно простому признаку — скорости оседания на дно пробирки (см. В эволюционном эксперименте дрожжи превратились в макроскопические многоклеточные организмы, «Элементы», 12.06.2023). Клетки не только научились собираться вместе, но и стали образовывать красивые структуры, напоминающие любимые всеми микроскопические узоры снежинок. Эта работа показала, что граница между одноклеточным и многоклеточным существованием иногда может быть размытой и легко преодолимой для эволюции. К сожалению, за ажиотажем от эволюционного эксперимента другая, не менее примечательная, работа о преодолении рубежа между одноклеточным и многоклеточным мирами осталась в тени.

Группа ученых из лаборатории Джозефа Гердта (Joseph P. Gerdt) изучала амеб Capsaspora owczarzaki, которых мы дальше будем называть просто капсаспорами. Если посмотреть на клетки капсаспоры под микроскопом (рис. 1), то на первый взгляд они будут очень похожи на клетки животных в культуре — например, на фибробласты. Да и сам я, не найдя в BioRender иконку капсаспоры для рисунков, воспользовался иконкой «дендритная клетка». Такое сходство не случайно — капсаспора действительно один из наших самых близких одноклеточных родственников, гораздо более близкий, чем дрожжи (см. Одноклеточный родственник животных). Из одноклеточных организмов к нам ближе только хоанофлагелляты, которые сами по себе напоминают свободно плавающие клетки губок.

Капсаспоры — симбионты тропических речных улиток, живущие в их гемолимфе (жидкости, одновременно заменяющей и кровь, и лимфу). Это одноклеточная «гвардия» улиток, убивающая их паразитов — шистосом (Schistosoma mansoni) на стадии материнской спороцисты (первое партеногенетическое поколение в теле промежуточного хозяина). Амебы прилипают к спороцисте, запускают свои тонкие ложноножки — филоподии — в поры эпителия и разветвляются внутри. Пораженная спороциста разрывается, и капсаспоры поглощают ее клетки.

Но славятся капсаспоры не только этим. У них есть гомологи многих генов, необходимых человеку и животным для формирования многоклеточного тела и межклеточной сигнализации — включая ген, необходимый для развития хорды (У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды, «Элементы», 25.10.2013). И, если этот ген «пересадить» эмбриону лягушки, отключив его собственный гомолог — ген амебы выполнит свою роль и поможет эмбриону сформировать хорду — пусть и не совсем полноценную.

Хорды у капсаспоры, конечно, нет, а вот многоклеточные структуры она формировать умеет — отдельные амебы капсаспоры умеют сбиваться вместе и формировать агрегаты. Такой тип многоклеточности называется агрегативным, в противоположность клональной многоклеточности, присущей животным, растениям и цианобактериям, когда весь организм развивается из одной клетки и представляет собой единый клон клеток. Разница между типами многоклеточности подробно обсуждалась в новости Циклические затопления пещеры способствовали появлению нового типа многоклеточности у бактерий («Элементы», 02.11.2022). Агрегативная многоклеточность не позволяет достичь такой же степени сложности, как клональная, но иногда порождает очень красивые формы — как, например, плодовые тела слизевика диктиостелия (Dictyostelium discoideum) (рис. 2).

Рис. 2. Вверху — красивые плодовые тела слизевика Dictyostelium discoideum напоминают инопланетные грибы. Фото с сайта en.wikipedia.org. Внизу — эти организмы формируются не из одной клетки, а путем агрегации множества свободноживущих амеб. Плодовое тело рассеивает споры, из которых снова прорастают амебы, и цикл повторяется. Рисунок подготовлен на основе изображений с сайта biorender.com

В новой статье группа Джозефа Гердта решила исследовать факторы, которые стимулируют такое агрегативное поведение. Вначале они заметили, что амебы слипаются в комочки при культивировании в среде, содержащей фетальную телячью сыворотку (FBS, fetal bovine serum) — распространенный компонент питательных сред для культур клеток эукариот. Полученные агрегаты существовали более суток, прежде чем вновь распасться на отдельные клетки.

Далее исследователи решили вычислить, какие именно компоненты сыворотки стимулируют агрегацию. Для этого они вначале пропустили сыворотку через фильтр, задерживающий все молекулы массой более 3 килодальтон (сразу вспоминаются опыты Бейеринка с «фильтрующимися вирусами»). Оказалось, что ни одна из фракций — ни профильтрованная, ни задержанная — не способна индуцировать агрегацию капсаспор сама по себе. Для индукции агрегации нужно было добавить обе фракции — то есть в ее запуске участвуют как минимум один высокомолекулярный компонент и один низкомолекулярный.

По итогу дальнейших исследований низкомолекулярный компонент оказался просто ионами кальция, а высокомолекулярный — липопопротеинами низкой плотности. Теми самыми, избыток которых угрожает человеку (но не капсаспоре, к счастью для нее) атеросклерозом.

Получается, что агрегация у капсаспор может запускаться химическими факторами — почти как у слизевика диктиостелия, у которого триггером агрегации служит выделяемые клетками циклический АМФ (цАМФ). У человека, животных и растений взаимодействия клеток также запускаются и опосредуются химическими факторами, передающимися от клетки к клетке. Получается, капсаспоры при агрегации тоже используют какой-то вариант межклеточной сигнализации? Пока непонятно — если для ионов кальция сигнальная роль широко известна, то при чем здесь могут быть липопротеины, которые капсаспора не умеет синтезировать? Эти липопротеины появились только у позвоночных — а в те времена, когда жил общий предок человека и капсаспоры, липопротеинов низкой плотности в природе еще не существовало (и вызываемого ими атеросклероза тоже). Так что, если это и сигнализация, ее природа у капсаспоры остается невыясненной.

Рис. 3. У капсаспоры тоже есть цикл развития, хоть и не такой сложный, как у диктиостелия. Новое исследование лаборатории Джозефа Гердта показывает, что одна из его стадий — агрегация — запускается одновременным присутствием ионов кальция и липопротеинов низкой плотности. Возможно, это косвенное указание на химическую сигнализацию у капсаспоры. Рисунок подготовлен на основе изображений с сайта biorender.com

Но способность к агрегации в ответ на химические стимулы подсказывает, как могла возникнуть многоклеточность у животных. Скорее все, здесь без химических сигналов не обошлось. «Существует общее понимание, что животные произошли от одноклеточных организмов, и наше исследование показывает, как это могло случиться и как те клетки выбрали, быть им вместе или порознь», — комментирует Джозеф Гердт. — «Наши результаты помогают понять больше о животных и их предках».

В частности, исследование позволяет предположить, что эти предки могли быть агрегативно-многоклеточными, и лишь потом перешли к клональному типу. Ранее свидетельства в пользу этой гипотезы были получены группой российских биологов под руководством Д. В. Тихоненкова (Denis V. Tikhonenkov et al., 2020. Insights into the origin of metazoan multicellularity from predatory unicellular relatives of animals). Уже по этому случаю я писал в своей статье для «Большой российской энциклопедии»: «Если эта гипотеза найдет дальнейшие подтверждения, животные могут стать первой известной эволюционной линией, сменившей тип многоклеточности в процессе эволюции с агрегативного на клональный». Статья лаборатории Джозефа Гердта — дополнительное свидетельство в пользу этого сценария. Если он верен, то, возможно, у нашей многоклеточности был самый экзотический эволюционный путь. Многоклеточность независимо возникала более 20 раз за всю историю живого мира — но, насколько мне известно, больше никто так радикально не менял ее тип.

Источник: Núria Ros-Rocher, Ria Q. Kidner, Catherine Gerdt, W. Sean Davidson, Iñaki Ruiz-Trillo, and Joseph P. Gerdt. Chemical factors induce aggregative multicellularity in a close unicellular relative of animals // PNAS. 2023. DOI: 10.1073/pnas.2216668120.

Георгий Куракин