
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
