Експериментално е показано образуването на многоклетъчни еукариоти (клетки с ядра) от едноклетъчни предци
![]() Обикновени дрожди (вляво) се превръщат в многоклетъчни организми (вдясно) с помощта на укрепваане на необходимите мутации в хода на изкуствен подбор. Снимки от допълнителните материали към статията в PNAS |
Известно е, че истинските многоклетъчни животни са се формирали на базата на еукариотни клетки, макар че животът на планетата е опитвал за тази цел различни пътища. Как е могло да се случи това? В експерименти върху едноклетъчни дрожди, учените са получили с помощта на изкуствен подбор многоклетъчни асоциации. Клъстерите са нараствали поради факта, че дъщерните клетки след разделянето остават с майчините, а не поради сливането на единични клетки, както се наблюдава при бактерии. Мутациите, осигуряващи многоклетъчността са стабилни и в рамките на многоклетъчните клъстери, дори се наблюдавало разделение на функциите.
Както е прието сега да се мисли (и вероятно така е и било), многоклетъчността в историята на живота на земята, се е случвала повече от веднъж. Освен това, в рамките на тази тема, сега освен многоклетъчните организми обсъждаме и различни клетъчни асоциации, формирани на базата на бактерии, едноклетъчни водорасли и първаци. Последните могат да са колонии в течение на целия си жизнен цикъл както кълбото Волвокс, а могат да се превръщат в многоклетъчен организъм само когато това е необходимо, както и в случая на колониалните амеби Dictyostelium (виж Примери за самоорганизация в живата природа).
Многобройните модели показват, че истинска многоклетъчност може да бъде получена само на базата на еукариотни клетки и само на клетки с еднакъв геном. Да приемем, че еукариотната клетка вече съществува, как тя се превръща в многоклетъчен организъм? Какво прави от съвършения егоист, какъвто е едноклетъчния организъм, съвършения колективист – представител на съгласувания ансамбъл от клетки на едно многоклетъчно, в които възможността да се размножават е оставена само на избрани? Първата стъпка в тази необикновена трансформация е отказът да се разпръсне след деленето, а след това и диференциацията на функциите и структурите
Защо клетката на едноклетъчните спира да се разпръсква след делене? Предишните изследвания, например, показват, че обикновеното едноклетъчно водорасло Хлорела формира осемклетъчни конгломерати, ако хлорелата е изяждана от флагели (камшичета). Клетките на водораслите, увеличавайки размера си, се защитават от изтребление. Обаче други примери на еукариоти, които показват преход от едноклетъчен живот към колективен, засега няма. В този смисъл работата на американските учени от Университета на Минесота е много полезна: учените са проследили целия процес на трансформация на отделните клетки на дрождите в многоклетъчни асоциации. Те се фокусирали върху механизма на формиране на многоклетъчните структури и показали началните етапи на разделение на функции на клетките в клетъчните асоциации.
![]() Многоклетъчни клъстери, наречени снежинки, които са получени в хода на подбора на многоклетъчност. В горния ляв ъгъл единичните клетки дрожди, с които експериментът започва, на останалите снимки на ляво – фенотип на многоклетъчни клъстери от различни линии (от 1-ва на 5-та линия), вдясно – общ изглед на получените клъстери. Снимки към статията в PNAS |
Експериментът е проведен по следния начин. Култура от дрожди е посадена в десет лабораторни чинийки. След това, във всека от 10-те линии направили селекция за "многоклетъчност", ежедневно отделяйки най-ниската част на културата. Рецептата е както следва: първо се разклаща, след което се оставя да постои в продължение на 45 минути, да се утаи, оставяйки за разсаждане клетките от най-ниските10 мл на дъното. Тъй като са клетъчни агрегати по-тежки от единичните клетки, те ще се утаяват по-бързо. Затова в дъното на разтвора концентрацията на клетъчните агрегати става все по-висока. В резултат на подбора във всички епруветки, след 2 месеца са нараствали най-вече клетъчните агрегати, микробиолозите нарекли получения фенотип "снежинки". Всъщност, клетъчните агрегати, въпреки че не притежават строгата симетрия на снежинките, все пак показват приблизителна централна симетрия и имат разклонени израстъци, така че името е подходящо. Генотипът на това новообразувание се оказал стабилен: когато спрели подбора за многоклетъчност, (продължили да присаждат клетки, но от добре смесен разтвор), дрождите все още формирали фенотип на снежинки.
![]() (Минути на растеж)Процесът на делене на клъстера, снимките (с изключение на втората) са направени на интервали от 1 час; стрелката показва отделянето на дъщерния клъстер. От статията в PNAS |
Снежинките теоретично може да се получат по два начина. Първо, за сметка на сливането на единични клетки и второ поради липсата на отделяне след клетъчното делене. Целият процес на образуване на агрегатите е сниман, така че можете да го видите
В допълнение, помогнали и биохимични тестове с различно оцветяване на клетъчните структури (клетки в снежинката се свързат в местата на образуването на израстъците на дъщерните клетки). Недвусмислено се доказва, че многоклетъчните снежинки произхождат от втория начин: клетките не се разпръскват след делене. Достигайки определен размер, клъстерът отделя многоклетъчен потомък, а дъщерният клъстер по диаметър е по-малък от родителския три до пет пъти.
Правилата на играта на дъщери и майки са се развили, както се оказа, заедно с размера на клъстерите. Колкото по-голям е клъстера, толкова по-лошо се хранят централните клетки и следователно, толкова по-бавно расте клъстера. Следователно, броят на потомците му ще намалява с увеличаване на клъстера. Все пак, увеличението в броя на потомството е най-висшата цел на всеки организъм. Следователно, на новия многоклетъчно организъм му се налага да измисли начин хем да расте бързо, хем да оставя много потомци. В хода на подбора, този начин е намерен: да се увеличи броя на клетките, подложени на апоптоза, т.е. клетъчно самоубийство. Мъртвите клетки се превръщат в слабото звено в клетъчните връзки, като по този начин се улеснява отделянето на дъщерните клъстери. Апоптозата е често срещано явление за дрождите, но тук тя придобива ново значение. В резултат на това при многоклетъчните дрожди се появява своеобразно разделение на функциите: Някои от клетките се размножават, а други жертват възможността да оставят собствени потомци и умират за доброто на другите.
Източник: William C. Ratcliff, R. Ford Denison, Mark Borrello, Michael Travisano. Experimental evolution of multicellularity // PNAS. 2012. Published online 17 January.
Вашият коментар