Опыты Геммерлинга с ацетабулярией

Центральная догма молекулярной биологии (в упрощенном виде) — это ДНК ⇄ РНК → белок.

Водоросль надо обязательно рассматривать как одноклеточное существо.

1. Первый опыт. Клетка вполне успешно переживала такие манипуляции. Продолжались и рост стебелька, и развитие шляпки. Не восстанавливался лишь ризоид. Рост водоросли продолжался, так как в клетке происходила транскрипция — образование молекул мРНК, которые транспортируются в цитоплазму и являются матрицей для построения белков. Подробнее об этом поговорим в послесловии.

2. Вторая серия опытов. Образовывался зонтик, который был похож на зонтик A. crenulata. Если зонтик с ровными краями A. mediterranea (acetabulum) перед пересадкой удаляли полностью, то образовывался фестончатый зонтик, типичный для A. crenulata. Таким образом, Геммерлинг заключил, что вещества, которые важны для фенотипа, заключены там, где находится ядро. Но он не мог исключить того, что цитоплазма ножки тоже как-то влияла на этот процесс. Поэтому-то он и провел третий опыт.

3. Третья группа опытов подтвердила исключительную роль ядра. Перенос ядра приводил к таким же результатам, что и пересадка ризоида: внешний вид зонтика зависел от того, какому виду принадлежало ядро.

Рис. 2. Различия между внешним видом зонтика A. mediterranea (acetabulum) (слева) и A. crenulata (справа). Фестончатый край зонтика A. crenulata образован неплотно сросшимися разветвлениями клетки. c.s. (corona superior) — зонтик, r (rhizoid) — ризоид. Рисунок из статьи: J. Hämmerling, 1953. Nucleo-cytoplasmic Relationships in the Development of Acetabularia

Надо сказать, что Геммерлингу очень повезло с модельным организмом: ядро ацетабулярии имеет вполне жесткую для таких манипуляций оболочку. Это был один из первых экспериментов по переносу ядра. Параллельно Роберт Бриггс (Robert Briggs) и Томас Кинг (Thomas King) работали над экспериментами по переносу ядер бластоцисты лягушки (результаты исследования вышли в 1952 году), а уже в 1958 году Джон Гердон, будущий лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине, выполнил свой знаменитый эксперимент по клонированию лягушек.

Значение проведенных опытов для молекулярной биологии трудно переоценить. Во-первых, Геммерлинг экспериментально показал, что в ядре заключена наследственная информация, которая отличается у разных видов. То, что гены находятся в хромосомах, которые располагаются в ядре, постулировал Томас Морган еще в 1910-е. Но от первого опыта Геммерлинга до эксперимента Эвери, Маклауда и Маккарти (1944 год), которые нагляднопоказали, что наследственная информация хранится в ДНК, а также эксперимента Херши — Чейз (1952 год), окончательно это доказавшими, оставалось еще 12 и 20 лет.

Во-вторых, Геммерлинг также смог предсказать, что между наследственной информацией в ядре и проявлением этой информации существует какая-то промежуточная стадия. Такой вывод он сделал после первого опыта с ацетабуляриями, которые могли жить и расти даже после удаления ядра. Он предположил, что ядро выделяет некие морфогенные вещества, которые распределяются по цитоплазме и определяют форму зонтика. Интересно, что эти вещества сохранялись в клетке неделями после удаления ядра. Сейчас мы понимаем, что это отражает процесс транскрипции, то есть образования молекул мРНК, которые транспортируются в цитоплазму и являются матрицей для построения белков. Тем не менее в 1930-е годы выводы Геммерлинга казались фантастикой. К сожалению, его работы оставались малоизвестными, так как он писал на немецком языке. Только в 1953 году вышла его работа Nucleo-cytoplasmic Relationships in the Development of Acetabularia («Взаимоотношение ядра и цитоплазмы при развитии ацетабулярии»), которая стала известна англоязычной аудитории. Однако ей не очень доверяли, потому что считалось, что молекулы мРНК не могут долго сохраняться в клетке. Этот взгляд перевернул авторитетный бельгийский эмбриолог Жан Браше (Jean Brachet). Еще в 1930-е годы он показал, что в хромосомах содержится ДНК, а в цитоплазме всех клеток присутствует РНК. Тридцать лет спустя он показал, что те самые морфогенные вещества в клетках ацетабулярии — это в действительности РНК. Они производятся в ядре, а затем переносятся в цитоплазму, где их период полураспада составляет 10 дней.

Кроме того, Геммерлинг предполагал, что образование зонтика, стебелька, а также волосков на нем зависит от градиента определенных морфогенных веществ. И в этом он тоже был прав. Такие градиенты действительно присутствуют не только в клетках ацетабулярии, но и в других клетках, и чрезвычайно важны для развития организмов.Так, полярность эмбриона дрозофилы (то есть положение будущей головы) закладывается в зиготе с помощью градиента различных мРНК и соответствующих белков. За это открытие Христиана Нюслайн-Фольхард и Эрик Вишаус получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1995 года.

К сожалению, ацетабулярии становятся всё более и более редким модельным организмом. Но это не значит, что с ними перестали работать. Во-первых, продолжается изучение градиента тех самых мРНК. В 2002 году опубликовано распределение 13 различных мРНК в клетке ацетабулярии и показана роль клеточного скелета в этом распределении (H. Vogel et al., 2002. Differential messenger RNA gradients in the unicellular alga Acetabularia acetabulum. Role of the cytoskeleton). А в прошлом году вышел препринт, который изучил этот градиент с помощью РНК-секвенирования (I. Andersen et al., 2020. Compartmentalization of mRNAs in the giant, unicellular green algae Acetabularia acetabulum).

Один из факторов, который затрудняет работу с ацетабуляриями в лаборатории, — отсутствие секвенированного генома. Причиной этого долгое время была невозможность собрать достаточное количество геномной ДНК для секвенирования. В условиях лаборатории жизненный цикл ацетабулярий составляет три месяца, и в 50 мл среды можно вырастить только 25 водорослей, тогда как для секвенирования ДНК стандартными методами требуется несколько тысяч ацетабулярий. Однако в 2021 году удалось наконец получить первый черновик генома A. acetabulum (I. Andersen et al., 2021. Genome sequencing and de novo assembly of the giant unicellular alga Acetabularia acetabulum using droplet MDA). А это значит, что скоро ацетабулярия снова может оказаться на переднем крае молекулярной биологии.