Расшифрован механизм развития многоклеточной амёбы Acrasis kona

В большой эволюционной ветви эукариот, включающей в себя трихомонад и возбудителей менингоэнцефалита, есть необычные амебы-слизевики — акразии. Они отделены сотнями миллионов лет раздельной эволюции от других хорошо изученных слизевиков — диктиостелид — и от человека. Как и другие слизевики, они абсолютно независимо развили сложный жизненный цикл с образованием многоклеточных плодовых тел, но его молекулярные основы были неясны из-за отсутствия прочитанного генома. В свежей статье международная группа биологов опубликовала прочитанный геном представителя акразий — Acrasis kona — и его транскриптом на разных стадиях развития. Ученые впервые пронаблюдали, какие группы генов включаются и выключаются у акразии в процессе построения многоклеточных структур. Выяснилось, что в этом процессе она задействует относительно небольшое количество генов. Многие из них родственны регуляторным генам растений и животных. Кроме того, клетки акразии вступают в процесс формирования плодового тела метаболически активными — в отличие от диктиостелиевых слизевиков, у которых к этому моменту начинается упадок и самопереваривание.

Большинство многоклеточных организмов, знакомых читателям-небиологам, общим планом развития похожи на нас. Все их тело развивается из одной клетки путем деления и дифференцировки ее потомков, таким образом представляя собой один генетически однородный клон. Таковы животные, включая человека, таковы растения, все группы водорослей, грибы и даже цианобактерии. Такой тип многоклеточности называется клональным.

Но другая, не меньшая, часть многоклеточного мира развивается совершенно по-особому. Агрегативная многоклеточность — это формирование многоклеточного организма из массы свободноживущих клеток, которые могут быть даже разными генетически. Для нас такое кажется удивительным: трудно представить себе человека, самособравшегося из массы амебоидных клеток. Но для примитивных многоклеточных эукариот, называемых слизевиками, в этом нет ничего необычного. В сытом состоянии слизевик — это просто одноклеточная хищная амеба. Но как только добыча заканчивается и амебы начинают голодать, они начинают выделять хемоаттрактанты, которые называются акразинами. Все амебы сползаются в место максимальной концентрации акразина (который у каждого вида, как правило, свой) и образуют агрегат, который далее развивается в грибоподобное плодовое тело.

Тех слизевиков, клетки которых не сливаются в единую большую многоядерную клетку, а остаются отдельными в составе плодового тела, называют клеточными слизевиками. Конечная судьба большей части их клеток — превратиться в споры и рассеяться, как у гриба.

Примерами клеточных слизевиков являются акразиды (рис. 1), диктиостелиды (рис. 2) и некоторые менее известные группы вроде фонтикулид. Конечная цель этого сложного жизненного цикла проста: повысить вероятность рассеяния спор на большое расстояние в неблагоприятных условиях. Но образующиеся в ходе этого процесса структуры поражают своей красотой и сложностью. И привлекают биологов, пытающихся изучить процесс их развития на молекулярном уровне: это поможет пролить свет на то, как вообще устроена многоклеточность, а заодно — какие фундаментальные вопросы лежат в основе развития эмбрионов и злокачественных опухолей.

Рис. 2. Плодовые тела диктиостелия дисковидного (Dictyostelium discoideum). Фото с сайта en.wikipedia.org

Такая форма многоклеточности, как слизевик, за всю историю жизни на Земле возникала независимо около 8 раз (если считать не только эукариот, но и бактерий). То есть слизевики представляют собой многократно повторенный естественный эксперимент по возникновению простой агрегативной многоклеточности, анализ которого был бы чрезвычайно продуктивен.

К сожалению, до недавнего времени единственным слизевиком, механизмы развития которого были нам известны, был диктиостелий дисковидный (Dictyostelium discoideum). В частности, у него были открыты структуры, подобные эпителию (Социальные амёбы умеют формировать многоклеточный эпителий, «Элементы», 16.03.2011). В его популяциях идентифицированы и подробно описаны клетки-обманщики, подобные раковым клеткам человека — и изучены механизмы защиты от них (Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009). И, наконец, у него было обнаружено сложное поведение в отношении бактерий: он их не только ест, но и... разводит, как скот (см. статью Коллективное сельское хозяйство у общественных амёб). Неудивительно, что существо с таким сложным циклом развития вполне может быть использовано для проверки препаратов на эмбриотоксичность (R. Baines et al., 2021. Dictyostelium discoideum: An Alternative Nonanimal Model for Developmental Toxicity Testing). Но диктиостелий — это лишь одна попытка природы обрести агрегативную многоклеточность.

По красоте плодового тела с диктиостелиями могут посоперничать акразии (Acrasidae) — другие клеточные слизевики, формирующие разветвленные плодовые тела несколько «инопланетного» вида. Эволюционно они происходят совершенно из другой ветви эукариот.

Диктиостелий является близким родственником грибов и животных — то есть он в буквальном смысле «грибоживотное», как и физарум многоглавый (Physarum polycephalum), которого давно уже так называют. Акразии же наиболее близки к неглерии Фоулера — патогенной озерной амебе, вызывающей летальный менингоэнцефалит, — а также трипаносомам (возбудителям сонной болезни) и трихомонадам. Близких многоклеточных «родственников» у них нет, и тем более интересно, как они докатились до жизни такой. То есть — жизни многоклеточной.

Изучению этого вопроса вплоть до этого года препятствовало отсутствие отсеквенированного генома акразий. Мы даже толком не знали, какие у них есть гены, не говоря уже о том, как и когда они включаются и выключаются в процессе развития.

Но совсем недавно, в ноябре 2024 года, группа исследователей из Дании, США и Швеции (включая известного специалиста по многоклеточным эукариотам Сандру Балдауф (Sandra Baldauf)) опубликовали в журнале Nature Communications статью по слизевику Acrasis kona (рис. 1). В ней они представили не только результаты прочтения генома слизевика, но и анализ его транскриптома — совокупности РНК клетки — на разных стадиях развития. Транскриптомный анализ всегда представляет собой попытку вместить огромный объем данных в масштаб одной статьи — поэтому молекулярные механизмы развития амебы предстают перед нами как бы с высоты птичьего полета. Тем не менее, даже этого взгляда хватает, чтобы понять основные особенности.

Прежде всего, акразия оказалась необычна своим метаболизмом на стадии агрегации. У диктиостелия при образовании плодового тела в клетках наступают изменения, характерные для сильного голода и недостатка энергии. Митохондрии перестают работать и разрушаются. Вместе с некоторыми другими клеточными компонентами они дают энергию для последнего усилия по построению «ножки» и «шляпки» с последующей споруляцией. Эти изменения начинаются уже на стадии агрегации.

Эта стадия была одной из основных «контрольных точек», где исследователи проверяли транскриптом у акразии. Но они не нашли никаких следов упадка активности и начала самопереваривания. Уровень экспрессии генов, связанных с процессом самопереваривания клеточных структур, не был повышен. Не было повышенного синтеза РНК и белков для аутофагосом — клеточных пузырьков с ферментами, осуществляющих процесс самопереваривания. Не было усиленного синтеза компонентов протеасом — молекулярных «мясорубок» для разрушения белков. Не повышался уровень РНКаз — ферментов для разрушения РНК.

Более того, во время агрегации у акразии сохраняется высокий уровень экспрессии ферментов, связанных с репликацией ДНК. Нет никаких доказательств, что во время агрегации клетки акразии активно делятся — их активное деление происходит раньше, в стадии роста в виде одноклеточных амеб (рис. 3). Но если диктиостелий при образовании плодового тела — состоит из умирающих саморазрушающихся клеток, как бы исполняя свою лебединую песнь, то клетки акразии остаются активны и продолжают свою жизнедеятельность — до того момента, пока плодовое тело не сформируется и не начнется споруляция. Пока до конца неясно, с чем связан такой «оптимизм до последнего». Следует отметить, что у диктиостелия примерно 20% клеток в плодовом теле обречены на гибель, оставаясь в составе твердой ножки. Акразия же не жертвует своими клетками. Все они превратятся в споры и получат шанс на дальнейшую жизнь в новом цикле. Связаны ли метаболические различия со «смертностью» диктиостелия и «бессмертием» акразии — вопрос пока открытый.

Рис. 3. Схема жизненного цикла акразии с фотографиями каждой стадии. Активный рост акразии происходит на одноклеточной стадии — путем деления одиночных клеток-амеб. Они охотятся на бактерии и грибы, пока пища не заканчивается — тогда они сползаются вместе и формируют агрегат, который постепенно развивается в разветвленное плодовое тело. Его «ветки» представляют собой цепочки спор. Далее споры рассеиваются и прорастают в новых амеб, начиная цикл сначала. Рисунок из обсуждаемой статьи

Вторая неожиданность связана с тем, что акразия обходится для формирования многоклеточных структур лишь минимальным набором генов и белков. Лишь около 900 ее белков изменяют свою экспрессию на стадии агрегации, что составляет около 6% общего количества белков акразии. Для сравнения: у диктиостелия в процессе агрегации задействуется более 4000 белков, что составляет 35% от всех его белков. В общих чертах все выглядит так, будто для диктиостелия агрегация — это дело всей жизни. Акразия, наоборот — слизевик «на минималках». Если совсем огрублять, то ее процесс агрегации удивляет своей минималистичностью, будучи устроен куда проще, чем у диктиостелия.

Что касается клеточной сигнализации, то акразия на удивление похожа на нас и на других многоклеточных эукариот, несмотря на разделяющее нас эволюционное расстояние (рис. 4). Во время агрегации повышается экспрессия ключевых белков, связанных с хорошо знакомыми любому биохимику вторичными посредниками: цАМФ, фосфоинозитидами и малыми ГТФазами. Эти же пути работают и в наших клетках, обеспечивая регуляцию их деятельности. В частности, у акразии при агрегации повышается экспрессия протеинкиназы А — той же самой, которая у человека опосредует расщепление гликогена при действии адреналина. Также сильный ответ на агрегацию показывают белки Ras, регулирующие размножение и дифференцировку клеток у человека, и белок TOR, гомолог мишени рапамицина млекопитающих (mTOR), перспективной мишени для разработки лекарств от старения. Любопытно, что один из белков фосфоинозитидного пути акразия «стащила» у какого-то гриба путем горизонтального переноса генов. А белок сплайсинга интронов — у дикстиостелиевых слизевиков! В самом деле, чего бы не позаимствовать хорошую разработку у конкурента?

Рис. 4. Схема сигнальных путей в клетке слизевика Acrasis kona, составленная по данным экспрессии генов. Она очень сходна со схемами сигнальных путей животных и растений — также присутствуют, например, митоген-активируемые протеинкиназы (MAPK), протеинкиназа A (PKA) и фосфолипаза C (PLC). И лишь рецептор синего света (BLUF) выдает, что перед нами не клетка млекопитающего. Рисунок из обсуждаемой статьи

Все эти компоненты внутриклеточных сигнальных путей активно работают и в организме других многоклеточных эукариот, таких как растения. Акразия здесь воспользовалась стандартным набором. То же можно сказать и про гистидинкиназы, которых у нее много и которые активно задействованы в агрегации — это ключевые регуляторные ферменты, характерные для растений и грибов. Сходства с животными нет лишь потому, что животные в этом плане сами крайне вычурны: они используют тирозиновые киназы вместо гистидиновых.

Две гистидинкиназы, задействованные в агрегации, представляют собой мембранные рецепторы — подобные тем, которые обеспечивают действие стероидных гормонов у растений (см. мою лекцию в центре Архэ). В число рецепторов, активно экспрессирующихся при агрегации, попал и один серпантинный рецептор (GPCR, G-белок-сопряженный рецептор). Рецепторы этого семейства у человека активно задействованы в работе нервной системы и воспринимают такие нейромедиаторы, как норадреналин, серотонин и, например, аденозин (см. Аденозиновые рецепторы: история великого обмана). В агрегации оказалось задействовано и два белка из семейства рецепторов синего света (BLUF) — не зря одним из индукторов агрегации у акразии является синий свет.

Прочитанный геном акразии оказался поистине долгожданным для биоинформатиков — как я уже писал раньше, исследовать его давно хотелось всем. Моментально начались активные исследования методом компьютерного сравнения генов акразии с генами других эукариот. Подобная работа по пероксисомам уже была представлена на конференции ISCB-LATAM 2024 — хотя на тот момент статья по геному акразии имела только статус препринта! Настолько востребован оказался этот геном. Очевидно, что статья в Nature Communications — не завершение, а только начало активных исследований механизмов агрегативной многоклеточности у акразий. Это открытие нового многоклеточного мира, который только предстоит узнать в деталях.

Источник: Sanea Sheikh, Cheng-Jie Fu, Matthew W. Brown & Sandra L. Baldauf. The Acrasis kona genome and developmental transcriptomes reveal deep origins of eukaryotic multicellular pathways // Nature Communications. 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-54029-z.

Георгий Куракин