» » Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток

Плодовые тела Dictyostelium discoideum на агаре; оставляют потомство только клетки, оказавшиеся сверху, в спорангиях, а" />

Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток


Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток
Dictyostelium discoideum[/i] на агареn" border=0 width="300" height="224"> Плодовые тела Dictyostelium discoideum на агаре; оставляют потомство только клетки, оказавшиеся сверху, в спорангиях, а клетки ножки остаются бесплодными. Фото из обсуждаемой статьи в PNAS

Американские ученые исследовали эффективность размножения у социальных амеб. Они сравнили темпы появления клеток-обманщиков и эффективность размножения в ассоциациях генетически разнородных и однородных клеток. Выяснилось, что в однородных ассоциациях клетки-обманщики появляются исключительно редко, зато в разнородных ассоциациях это явление задает тон. Эгоистичные обманщики выигрывают в конкурентной борьбе, и их появление поддерживается отбором. Ученые полагают, что это различие объясняет, почему многоклеточность сформировалась на основе развития одной клетки, а не на базе сборных клеточных консорциумов.

Группа американских ученых под руководством Давида Квеллера из Университета Райса продолжает исследование закономерностей социальной жизни общественных амеб Dictyostelium discoideum. Dictyostelium discoideum является представителем довольно обширного рода амеб, включающего еще около сотни видов. Этот род живет в почве, в листовом опаде, его можно встретить повсюду в северном полушарии; подобно другим амебам, он питается бактериями. Эти одноклеточные амебы служат излюбленной моделью для изучения законов социальной жизни и становления многоклеточности. Последнее, очевидно, является крайней степенью социальности, когда действия каждого индивидуума жестко подчинены интересам всего коллектива.

Диктиостелиум в благоприятной обстановке живет в виде отдельных клеток, каждая из которых делится и питается. Но зато при голодании клетки собираются вместе и сообща формируют плодовое тело (как диктиостелиум формирует плодовое тело, можно увидеть здесь).


Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток

Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток
Клетки диктиостелиума начинают собираться в многоклеточный агрегат. Сигналом к началу сборки является повышенная концентрация экстраклеточного цАМФ. Фото с сайта dictybase.org

Плодовое тело ведет себя как многоклеточный организм: у него имеется стебелек или ножка, на которой сидят генеративные клетки, дающие споры. Потомство оставляет только генеративная часть плазмодия, а клетки стебелька потомства не оставляют. Эгоистические интересы требуют, чтобы каждая клетка изо всех сил стремилась попасть наверх, в спорангий, а насущные задачи общества подразумевают, что часть клеток альтруистически пожертвует возможностью оставить потомство и останется в ножке. Чтобы плазмодий существовал сколько-нибудь длительное время, в популяции клеток должно поддерживаться определенное соотношение эгоистов и альтруистов, причем последних не должно быть слишком мало. Или же они, как показали предыдущие исследования группы Квеллера, должны уметь эффективно бороться с эгоистами (см.: Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009).

Однако есть еще один способ бороться с эгоизмом в многоклеточных коллективах. И способ этот исключительно эффективный, из всех вариантов он, по всей видимости, наилучший. Этот способ заключается в том, чтобы создавать организм — в данном случае плодовое тело — из одинаковых по своей генетике клеток. В этом случае конкуренция исключается, никто никого не обманывает, оркестр клеток под управлением единого генетического кода хором организует плодовое тело, и в итоге споры получаются с известным генетическим наполнением. Задача успешно выполнена. Эта гипотеза очень красиво объясняет, почему настоящая многоклеточность возникла на основе одноклеточного старта. Ведь есть и другая возможность — многоклеточный организм собирается как консорциум разнородных клеток с единой задачей. Наш плазмодиум как раз из этих последних. Ученые провели эксперименты, в которых продемонстрировали победу коллективизма над эгоизмом при генетическом единообразии. Иными словами, они экспериментально, а не теоретически, доказали действенность генетического родства при образовании многоклеточного организма.

Плодовые тела диктиостелиума могут по желанию экспериментаторов собираться из разнородных или из генетически однородных клеток. Пусть, например, колонии клеток начинает одна клетка-предшественница. Именно так и начали свой эксперимент ученые — с единственной клетки. Она делится, и через несколько поколений ее многочисленных потомков можно рассаживать, они сами станут родоначальниками нескольких линий. Примерно таким образом все происходит и в природе. С другой стороны, экспериментатор может случайным образом выбирать из какой-то одной линии одну спору и давать ей размножиться. Поскольку мутационный процесс идет постоянно, то в первом случае на основе предкового генома формируются разнородные по генетике плодовые тела. Во втором случае — однородные, ведь, несмотря на мутации, для размножения выбиралась только одна клетка с конкретным геномом. В первом случае клетки амеб конкурируют друг с другом за право оставить потомство — такова эгоистическая задача каждой клетки. В результате некоторые из них учатся (то есть приобретают соответствующие мутации) выбирать наилучшее место (в спорангии, а не в ножке), так что потомство они оставляют всегда. Зато ножку такие эгоисты сформировать уже не могут, и если бы не их товарищи-альтруисты, то они не оставили бы потомства. Такие клетки ученые назвали облигатными эгоистами или облигатными обманщиками: они обманывали своих товарищей по плазмодию, вынужденных жертвовать тела на постройку ножки. Зато во втором случае такие обманщики могли появиться только в результате случайного выбора экспериментатором мутантной клетки. Случайность эта характеризует темпы или скорость возникновения подобных «эгоистических» мутаций. Как выяснилось, она весьма и весьма невысока. Ученые высевали по одной клетке в 90 линиях и прослеживали по 1000 клеточных делений в каждой линии, не доводя дела до постройки плодового тела. Это 90000 возможностей мутировать! — кстати, представьте колоссальный объем лаборантской работы. И даже тогда не появилось ни одного клона, не способного собраться и построить плодовое тело. Поэтому ясно, что социальные обманщики появляются в подавляющем своем большинстве за счет отбора успешных эгоистов.

Если развитие начинать каждый раз с одной клетки, то вероятность возникновения подобной мутации остается около 4,1x10–5 на одну генерацию, то есть обманщики в плодовом теле диктиостелиума (10–17 клеточных делений) появятся с вероятностью около 0,001; для синего кита (60 делений) соответствующие расчеты дадут вероятность 0,003. Не так уж много по сравнению с вариантами, где клеточный консорциум собирается из разнородных клеток. Там цифры примерно такие. В среднем 31(±25)% не могут образовать плодовых тел. Иными словами, в среднем 31% всех клеток (разброс вокруг среднего достаточно высок) изменились таким образом, что без помощи товарищей не могут сформировать стебелек и спорангий. Являются ли они обманщиками? Тесты показывают, что три четверти являются, а четверть не может оставлять потомства из-за каких-то других мутаций.

Чем больше обманщиков в популяции, тем меньше в целом такой плазмодий дает спор, то есть популяции невыгодно содержать большую армию обманщиков. Если в популяции обманщиков становится более 70%, то продукция спор снижается примерно вдвое. Таковы эмпирические данные. Это исследование безоговорочно доказывает, что организм, сложенный родственными клетками, более успешен, чем организм, собранный разными по генетике клетками, — гомогенность исключает эгоистическую конкуренцию. Некоторые предыдущие эксперименты свидетельствуют о том, что амебы стараются собираться вместе родственными группами, то есть формировать плодовые тела из родственных клеток. В процессе сортировки родственных и неродственных клеток участвуют гены, отвечающие за адгезию, или слипание, клеток.

Источники:
1) Jennie J. Kuzdzal-Fick, Sara A. Fox, Joan E. Strassmann, David C. Queller. High Relatedness Is Necessary and Sufficient to Maintain Multicellularity in Dictyostelium // Science. 16 December 2011. V. 334. No. 6062. P. 1548–1551.
2) Joan E. Strassmann, David C. Queller. Evolution of cooperation and control of cheating in a social microbe (полный текст — PDF, 373 Кб) // PNAS. 28 June 2011. V. 108. Suppl 2. P. 10855–62. Doi: 10.1073/pnas.1102451108.

Елена Наймарк


08 декабрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Для фитопланктона не действует закон Кляйбера

В 1930-е годы швейцарский физиолог Макс Кляйбер обобщил экспериментальные данные по интенсивности дыхания разных млекопитающих. По закону Кляйбера, уровень метаболизма живого существа пропорционален

Прелюдия истинной многоклеточности или ранние эволюционные эксперименты?

В Габоне в породах возрастом 2,1 млрд лет обнаружились структуры, которые можно интерпретировать как следы движения многоклеточного существа. Оно было покрыто клейким полисахаридным веществом и по

Нейроны людей в ряде областей мозга работают эффективнее, чем нейроны макак

Анализ записи активности отдельных клеток поясной коры и миндалины у макак-крабоедов и людей выявил две закономерности. В пределах одного вида клетки эволюционно более новой поясной коры кодируют

Создали сперматозоиды и яйцеклетки из клеток кожи человека

Ученые из Кембриджского университета в Британии создали искусственные сперматозоиды и яйцеклетки на начальном этапе их развития из обычных клеток человеческой кожи. Это настоящее достижение, которое

Молодая кровь действительно омолаживает старый организм

Два параллельных исследования показывают, что переливание молодой крови может замедлить процесс старения и, возможно, даже вылечить болезнь Альцгеймера. Юная кровь "перезаряжает" мозг, формирует
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Существует 50% вероятность того, что мы живем в симуляцииВремя эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?На МКС найдено место утечки воздуха. Что дальше?Почему птицы летают клином11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над АнтарктидойКаким будет мир с населением 10 миллиардов человек?Самые красивые города на воде