Новое исследование указывает на происхождение многоклеточности животных

Фото из открытых источников

Животные, от червей и губок до медуз и китов, содержат от нескольких тысяч до десятков триллионов почти генетически идентичных клеток. В зависимости от организма эти клетки организуются в различные ткани и органы, такие как кишечник, мышцы и сенсорные системы. Хотя не у всех животных есть каждая из этих тканей, у всех у них есть одна ткань, зародышевая линия, которая производит сперму или яйцеклетки для размножения вида.

Ученые не до конца понимают, как этот тип многоклеточности развился у животных. Клеточная адгезия или способность отдельных клеток прилипать друг к другу, безусловно, играет свою роль, но ученые уже знают, что белки, которые выполняют эти функции, развились в одноклеточных организмах задолго до появления животной жизни.

Теперь исследование Чикагского университета дает новый взгляд на ключевые инновации, которые позволили появиться современным многоклеточным животным. Анализируя белки, предсказанные на основе геномов многих животных (и близких родственников животного мира), исследователи обнаружили, что у животных развился более сложный механизм деления клеток, который также способствует развитию многоклеточных тканей и зародышевой линии. Исследование было опубликовано в журнале Current Biology.

«Эта работа убедительно свидетельствует о том, что одним из ранних этапов эволюции животных было формирование зародышевой линии посредством способности клеток сохранять связь посредством неполного цитокинеза», — сказал автор нового исследования профессор Майкл Глотцер. «Эволюция этих трех белков сделала возможной многоклеточность и способность формировать зародышевую линию: две ключевые особенности животных».

Деление клеток, или цитокинез, — это процесс, посредством которого клетка делится на две отдельные дочерние клетки. Многие из белков, участвующих в цитокинезе, являются древними и существовали задолго до того, как появились первые Metazoa около 800 миллионов лет назад.

Глотцер изучал деление клеток животных в течение нескольких десятилетий, сосредоточившись на том, как клетки определяют, где делиться. В клетках животных структура, называемая митотическим веретеном, разделяет хромосомы перед делением клеток; она также диктует положение, в котором происходит деление клеток.

Глотцер и его команда сосредоточились на наборе из трех белков — Kif23, Cyk4 и Ect2, — которые связываются друг с другом и со шпинделем и которые напрямую участвуют в установлении плоскости деления. Близкие родственники этих белков ранее были обнаружены только у животных.

Два из этих белков, Kif23 и Cyk4, образуют стабильный белковый комплекс, называемый центральным шпиндлином, который Глотцер и его коллеги открыли более 20 лет назад. Центральный шпиндлин не только способствует позиционированию плоскости деления, но и создает мост между двумя зарождающимися дочерними клетками.

Клетки, из которых состоят не зародышевые ткани и органы, называются соматическими клетками, которые не передаются следующему поколению. Зародышевые клетки особенные, потому что они могут стать любым типом клеток.

В ходе развития спермы и яйцеклеток эти клетки также рекомбинируют хромосомы, которые они унаследовали от своих родителей, создавая генетическое разнообразие. В то время как центральные шпиндлин-зависимые мосты обычно разрываются в соматических клетках, зародышевые линии большинства животных имеют клетки, которые остаются связанными стабильными мостами.

Учитывая недавний взрыв данных о последовательности генома, которые теперь доступны для широкого спектра животных, Глотцер сначала хотел определить, присутствуют ли и хорошо ли сохраняются у всех животных два белка, которые составляют комплекс центрального шпинделя, а также Ect2, регуляторный белок, который связывается с ним. Во время своего анализа для этого исследования он обнаружил, что все ветви животных имеют все три этих белка.

Исследования этих белков у видов, обычно используемых в лаборатории, обнаружили консервативные мотивы последовательностей, которые связаны с их известными функциями. Используя платформу искусственного интеллекта AlphaFold от Google DeepMind (разработанную выпускником Чикагского университета и недавним лауреатом Нобелевской премии Джоном Джампером), он смог предсказать взаимодействия между этими различными белками и обнаружил, что каждое взаимодействие, вероятно, сохраняется у всех животных.

Это говорит о том, что все эти белки существовали на заре животного мира более 800 миллионов лет назад и с тех пор не претерпели существенных изменений.

Затем Глотцер задался вопросом, можно ли найти какие-либо родственные белки в одноклеточных организмах. Он идентифицировал несколько родственных белков в хоанофлагеллятах, группе одноклеточных существ, наиболее тесно связанных с животными. Alphafold предсказал, что некоторые из них могут образовывать комплекс, несколько похожий на центральный шпиндлин.

Хотя эти комплексы связаны, они явно отличаются от централспиндлина, и у них нет последовательностей, которые позволяют Ect2 связываться со структурой. Примечательно, что некоторые виды хоанофлагеллят, имеющие этот комплекс, могут также образовывать колонии посредством неполного цитокинеза.

«У клеток преметазойных организмов есть механизмы деления и разделения, вероятно, с некоторыми темами и вариациями. Затем этот белковый комплекс позволил клеткам остановиться на стадии непосредственно перед разделением», — сказал Глотцер. «Возможно, многоклеточная жизнь развилась из-за генетического изменения, которое не позволило клеткам полностью разделиться».

«Мутация, нарушившая сборку центрального шпиндина, позволила мне и моим коллегам найти эти белки в первую очередь более 25 лет назад», — продолжил он. «И, похоже, эволюция этого же самого региона способствовала эволюции животной жизни на планете, что просто ошеломляет».