Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток

Автор: Елена Наймарк

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 discoideumявляется 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).

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 искусственно, случайным образом, выбирать из какой-то одной линии одну спору и давать ей размножиться. Поскольку среди амеб постоянно идет мутационный процесс, 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, их «дети» 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 споре в 90 линиях и прослеживали по 1000 поколений в каждой линии (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 4,1×10^–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.