Американские ученые расшифровали ключевой молекулярный механизм, позволивший одноклеточным существам эволюционировать в сложных многоклеточных животных. Они обнаружили, что три специфических белка (Kif23, Cyk4 и Ect2), частично или полностью отсутствующие у других организмов, стали основой для формирования тканей и уникальной системы размножения у всех животных — от губок до китов, что раскрывает фундаментальную загадку эволюции. Исследование опубликовано в журнале Current Biology.
Многоклеточность возникала независимо среди разных групп организмов, но животные (Metazoa) — единственные, у кого также имеются клетки зародышевой линии, производящие яйцеклетки и сперматозоиды. Ученые давно предполагали, что переход к многоклеточности требовал не просто способности клеток к адгезии, то есть «склеиванию», но и принципиально новых способов управления их делением. Ранее известные белки клеточной адгезии существовали еще у одноклеточных, задолго до появления первых Metazoa, поэтому ключ к разгадке исследователи искали в других процессах. Теперь ученые сосредоточились на цитокинезе — заключительном этапе деления клеток, когда они фактически разделяются на две дочерние.
Исследователи провели масштабный филогенетический и структурный анализ, изучив геномы представителей пяти основных групп животных (от губок до хордовых), а также их ближайших одноклеточных родственников — хоанофлагеллат, филастерий и теретоспоридий. Они искали гены, кодирующие три белка: Kif23 (моторный белок), Cyk4 (регуляторный белок) и Ect2 (активатор Rho1 — другого регуляторного белка). Для предсказания структуры этих белков и их взаимодействий авторы использовали программу на базе искусственного интеллекта AlphaFold. С ее помощью ученые получали трехмерные модели и определяли, могут ли белки формировать стабильные комплексы.
В результате белки Kif23, Cyk4 и Ect2 были найдены у всех исследованных многоклеточных животных, от морских губок до человека. Их структура оказалась удивительно консервативной, то есть практически не менялась в ходе эволюции, и это говорит о том, что все эти белки существовали на ранних этапах возникновения Metazoa более 800 миллионов лет назад. Kif23 и Cyk4 формируют комплекс под названием «центральный спиндлин», который взаимодействует с Ect2. Центральный спиндлин выполняет две ключевые функции: во-первых, он точно определяет место деления клетки, связывая его с положением веретена деления. Во-вторых, он формирует «мост» между дочерними клетками после их частичного разделения. У соматических клеток, то есть клеток, не принимающих участия в размножении, этот мост обычно разрушается. Однако клетки зародышевой линии животных часто остаются соединенными такими мостами надолго, образуя синцитий — единую сеть для обмена веществами, критически важную для развития яйцеклеток и сперматозоидов.
У ближайших одноклеточных родственников Metazoa, хоанофлагеллат, картина иная. Хотя у них есть похожие на Kif23 и Ect2 белки, белок Cyk4 отсутствует. Вместо него найдены многочисленные паралоги (родственные белки, возникшие при дупликации генов), содержащие похожие мотивы, но сильно отличающиеся по последовательности и N-концевым доменам. С помощью AlphaFold авторы предсказали, что некоторые из этих паралогов могут образовывать со своим Kif23 комплекс, отдаленно напоминающий центральный спиндлин животных. При этом некоторые виды хоанофлагеллат, как уже было известно, способны формировать временные многоклеточные колонии именно посредством «неполного цитокинеза», при котором клетки не до конца разделяются. У других, более далеких родственников многоклеточных животных (филастерии, теретоспоридии) комплекс центрального спиндлина или его функциональные аналоги обнаружены не были. «Преметазойные клетки имели механизмы деления и разделения, вероятно, с некоторыми вариациями. Затем этот белковый комплекс позволил клеткам останавливаться на стадии, предшествующей полному разделению. Возможно, многоклеточная жизнь эволюционировала из-за генетического изменения, которое мешало клеткам полностью разделяться», — отмечает Майкл Глоцер из Чикагского университета.
Открытие показывает, что эволюция специфического белкового комплекса центрального спиндлина и его регулятора Ect2 стала ключевым молекулярным «изобретением», позволившим предкам многоклеточных животных эволюционировать. «Эта работа убедительно свидетельствует, что одним из ранних шагов в эволюции животных стало формирование зародышевой линии благодаря способности клеток оставаться соединенными посредством неполного цитокинеза. Эволюция трех конкретных белков предопределила и возникновение многоклеточности, и способность формировать зародышевую линию — две ключевые особенности животных», — заключил Майкл Глоцер. Дальнейшие исследования могут быть направлены на выяснение того, как именно центральный спиндлин взаимодействует с другими системами (например, клеточной адгезии) для построения сложных тканей и органов, а также на детальное изучение функций его примитивных аналогов у колониальных хоанофлагеллат.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
