Животные, от червей и губок до медуз и китов, состоят из тысяч до десятков триллионов почти генетически идентичных клеток. В зависимости от организма, эти клетки образуют разнообразные ткани и органы, такие как кишечник, мышцы и сенсорные системы. Хотя не у всех животных есть все эти ткани, у них есть одна общая — зародышевая, которая производит сперму или яйцеклетки для размножения вида.
Учёные до конца не понимают, как возникла многоклеточность у животных. Клеточная адгезия, или способность отдельных клеток прикрепляться друг к другу, безусловно, играет роль, но учёные уже знают, что белки, которые выполняют эти функции, появились у одноклеточных организмов задолго до появления животных.
Теперь исследование, проведённое в Чикагском университете, предлагает новый взгляд на ключевые инновации, которые позволили появиться современным многоклеточным животным. Анализируя белки, предсказанные на основе геномов многих животных (и близких родственников животного царства), исследователи обнаружили, что у животных развился более сложный механизм деления клеток, который также способствует развитию многоклеточных тканей и зародышевой линии.
Исследование под названием «Ключевая роль centralspindlin и Ect2 в развитии многоклеточности и появлении Metazoa» опубликовано в журнале Current Biology.
«Эта работа убедительно доказывает, что одним из первых шагов в эволюции животных было формирование зародышевой линии за счёт способности клеток оставаться соединёнными из-за неполного цитокинеза», — сказал Майкл Глоцер, доктор философии, профессор молекулярной генетики и клеточной биологии в UChicago и автор нового исследования.
«Эволюция этих трёх белков позволила как многоклеточность, так и способность формировать зародышевую линию: две ключевые особенности животных», — добавил он.
Деление клеток и многоклеточность
Деление клеток, или цитокинез, — это процесс, при котором клетка делится на две отдельные дочерние клетки. Многие белки, участвующие в цитокинезе, являются древними и появились задолго до возникновения первых Metazoa около 800 миллионов лет назад.
Глоцер изучает деление клеток животных уже несколько десятилетий, уделяя особое внимание тому, как клетки определяют, где им делиться. В клетках животных структура, называемая митотическим веретеном, разделяет хромосомы перед делением клеток; она также определяет положение, где происходит деление клеток.
Глоцер и его команда сосредоточились на наборе из трёх белков — Kif23, Cyk4 и Ect2, — которые связываются друг с другом и веретеном и напрямую участвуют в установлении плоскости деления. Близкие родственники этих белков ранее были найдены только у животных.
Белки и многоклеточность
Два из этих белков, Kif23 и Cyk4, образуют стабильный комплекс белков, называемый centralspindlin, который Глоцер и его коллеги обнаружили более 20 лет назад. Centralspindlin не только способствует позиционированию плоскости деления, но и создаёт мост между двумя зарождающимися дочерними клетками.
Клетки, из которых состоят ткани и органы, не относящиеся к зародышевой линии, называются соматическими клетками. Они не передаются следующему поколению. Клетки зародышевой линии особенные, потому что они могут стать клетками любого типа.
Во время развития сперматозоидов и яйцеклеток эти клетки также рекомбинируют хромосомы, которые они унаследовали от своих родителей, создавая генетическое разнообразие. Хотя мосты, зависимые от centralspindlin, обычно разрушаются в соматических клетках, зародышевые линии большинства животных имеют клетки, которые остаются соединёнными стабильными мостами.
Геномные данные и эволюция
Учитывая недавний взрыв данных о последовательностях геномов, теперь доступных для широкого спектра животных, Глоцер сначала хотел определить, присутствуют ли и хорошо ли сохранились два белка, из которых состоит комплекс centralspindlin, а также регуляторный белок Ect2, связывающийся с ним, у всех животных. В ходе 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, связанные с их известными функциями. Используя платформу искусственного интеллекта Google DeepMind AlphaFold (разработанную выпускником UChicago и недавним лауреатом Нобелевской премии Джоном Джамперсом), 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 присутствовали в начале животного царства более 800 миллионов лет назад и с тех пор не претерпели каких-либо драматических изменений.
Затем Глоцер задался вопросом, можно ли найти какие-либо родственные белки в одноклеточных организмах. Он идентифицировал несколько родственных белков у хоанофлагеллят — группы одноклеточных существ, наиболее близких к животным. AlphaFold предсказал, что некоторые из них могут образовывать комплекс, чем-то похожий на centralspindlin.
Хотя эти комплексы и связаны, они явно отличаются от centralspindlin, и в них отсутствуют последовательности, позволяющие Ect2 связываться со структурой. Примечательно, что некоторые виды хоанофлагеллят, имеющие этот комплекс, могут образовывать колонии посредством неполного цитокинеза.
«У предметазоанских клеток есть механизмы деления и разделения, вероятно, с некоторыми темами и вариациями. Затем этот белковый комплекс позволил клеткам остановиться на стадии непосредственно перед разделением», — сказал Глоцер. «Возможно, многоклеточная жизнь эволюционировала из-за генетического изменения, которое предотвратило полное разделение клеток».
«Мутация, нарушившая сборку centralspindlin, — это то, что позволило моим коллегам и мне впервые обнаружить эти белки более 25 лет назад, — продолжил он. — И, похоже, эволюция именно этого региона способствовала эволюции животной жизни на планете, что просто поразительно».
Предоставлено Чикагским университетом.