Одноклеточная жизнь с многоклеточным заделом

Около 600 миллионов лет назад в океане сложился союз, которому мы все обязаны своим существованием. Объединение одноклеточных водорослей привело к существенному прорыву в эволюции. Соглашение о сотрудничестве и сожительстве, заключённое миллионы лет назад, дало начало многоклеточной жизни. Это стало возможным благодаря появлению белков, неизменно отвечающих за межклеточные контакты у всех без исключения животных до сегодняшнего дня.

Но, благодаря чему клетки вдруг стали способны соединяться в конгломераты и образовывать колонии, до сих пор оставалось неизвестным. Американские и немецкие исследователи, расшифровав геном одного из наших очень далеких предков – жгутикового Monosiga brevicollis, относящегоcя к классу Choanoflagellate, нашли гены, кодирующие белки, отвечающие за межклеточное взаимодействие.

Что самое удивительное, практически точно такие белки регулируют перемещение клеток и в наших организмах.

Согласно современным представлениям, одноклеточные жгутиковые объединялись в колонии, чтобы лучше переживать неблагоприятные условия внешней среды и «охотиться» на более мелких простейших, которых к тому времени немало накопилось в мировом океане. Кроме того, такое объединение существенно облегчало половое размножение, ведь вероятность встречи гамет, которым не приходилось преодолевать большие расстояния, существенно возрастала.

Сначала это был «союз равных», когда клетки-организмы достаточно автономны и обладают полным набором структур, а соответственно, и выполняемых функций. Таким образом устроены, например, примитивные многоклеточные водоросли или колонии дрожжей, не до конца расходящиеся после деления. Однако гипотеза о нерасхождении клеток во время деления не работает для более совершенных колоний, поскольку все их члены, как и клетки возникших позже многоклеточных организмов, представляют полностью полноценные клетки со своей мембраной.

К дошедшим до наших дней более совершенным ученые относят колонии жгутиконосцев гониум, пандорина, эудорина и вольвокс. Они состоят из 16, 16, 32 и тысяч клеток соответственно, что очень напоминает развитие зародыша всех животных в эмбриогенезе. Вспоминается биогенетическая гипотеза Геккеля-Мюллера, согласно которой индивидуальное развитие каждой особи есть повторение всего эволюционного пути соответствующего вида.

Неспециализированные у гониума, уже у пандорины и эудорины клетки начинают выполнять отдельные функции движения, захвата пищи и светочувствительности. А у вольвокса даже появляются клетки, ответственные за половое размножение. Это было бы невозможно без «клея», предотвращающего разделение колонии.

Ученые длительное время не могли найти промежуточное звено между колониальными и одиночными жгутиконосцами. Им и стал упомянутый выше одноклеточный Monosiga brevicollis. В 2001 году эти же исследователи обнаружили у него структурные белки альфа и бета-тубулин и форму актина, встречающуюся только у многоклеточных, а кроме того гены, кодирующие тирозинкиназу, – фермент, активирующий многие внутриклеточные реакции, в частности, отвечающий за проведение сигнала от рецепторов на мембране внутрь клетки.

Работа по расшифровке генома была закончена лишь недавно, и результатом её стала находка 23 генов кадгеринов – ключевых белков межклеточных контактов.

Сами белки сконцентрированы в основании клетки, у жгутика, и обеспечивают контакт не с себе подобными, а с бактериями, которые в данном случае оказались ниже не только в эволюционной цепи, но и в пищевой. Ученые считают, что именно эти белки позволили потомкам M. brevicollis объединяться в колонии, а потом и взаимодействовать друг с другом.

Но самым удивительным оказалось гораздо большее сходство с современными большими животными, чем предполагалось.

Геном Monosiga brevicollis оказался не таким уж и маленьким – 9200 генов против 27 000 человеческих. Кроме того, у нее нашли столько же интронов – несмысловых участков ДНК, которым предписывается важная роль в изменчивости, эволюции и разнообразии видов.

Загадкой остается и то, что среди этих девяти тысяч оказались и гены других белков – коллагена, интегринов и иммуноглобулиновых доменов, которые многоклеточным организмам необходимы для заполнения пространства между клетками и работы иммунной системы. Ни о том, ни о другом у M. brevicollis говорить не приходится.

И хотя сами белки в этом жгутиковом найдены не были, появление кодирующих их генов ещё до появления систем, для которых они нужны, кажется просто поразительным.

Генетики предлагают две гипотезы для объяснения этого феномена.

Согласно первой, последовательности ДНК появились раньше, но стали активными лишь на определенном этапе эволюции, когда им «нашлось применение». А по второй, они могли стать составной частью генома современных M. brevicollis за 600 миллионов лет, прошедших после появления колоний, в результате неизвестного пока механизма переноса генов между видами.

Правда, вероятность такого события очень мала. Подтвердить или опровергнуть эти гипотезы могли бы данные о расшифровке геномов животных, занимающих промежуточное положение. Пока это в различном объеме доступно лишь для червя С.elegans, дрозофилы и более совершенных млекопитающих – мыши, кошки, собаки и даже человека.

Работа ученых смогла заполнить только один из десятков больших пробелов в эволюции, так что сказать «дальнейший ход событий вам прекрасно известен» в ближайшие десятилетия вряд ли удастся.