Международная группа исследователей изучила геномы зеленых водорослей и выяснила, какие эволюционные механизмы лежат в основе появления многоклеточных организмов. Замена единственного гена одноклеточной водоросли на аналог от многоклеточной, привела к образованию колоний размером от двух до 16 клеток. Результаты работы опубликованы в журнале NatureCommunications.

Многоклеточные организмы неоднократно появлялись независимо друг от друга в процессе эволюции. У животных этот процесс произошел от 950 до600 миллионов лет назад и был связан с возрастанием числа и роли генов,кодирующих факторы транскрипции, сигнальные пути и факторы адгезии клеток, которые были получены от одноклеточных предшественников. Наземные растения стали многоклеточными около 750 миллионов лет назад. За столь большие сроки эволюции определить конкретные механизмы, ответственные за переход к многоклеточности, крайне затруднительно.

Gonium pectorale. Environmental Protection Agency

Научный коллектив под руководством сотрудников Аризонского университета выбрал для изучения зеленые водоросли из порядка хламидомонадовые, поскольку их многоклеточные представители появились около 230 миллионов лет назад, и современные семейства включают одноклеточные (в исследовании использовали Chlamydomonas reinhardtii), многоклеточные недифференцированные (Gonium pectorale) и дифференцированные (Volvoxcarteri) организмы. Причем Chlamydomonas напоминает одноклеточных предшественников Gonium *и *Volvox.

Chlamydomonas размножается сериями множественных делений, приводящих к появлению индивидуальных дочерних клеток. Gonium, состоящий из 8 или 16 одинаковых клеток, также размножается множественным делением. Однако клетки остаются присоединенными друг к другу, в результате чего после нескольких циклов деления появляется 8 или 16 дочерних колоний из 8 или 16 клеток каждая. Volvox имеет форму сфероида, поверхность которого представлена примерно 2000 соматических клеток, а внутри находится внеклеточный матрикс с 16 крупными репродуктивными клетками. Он размножается модифицированным множественным делением, при котором асимметричные деления отвечают за разделение клеточных типов.

Полногеномный анализ эволюции перечисленных водорослей показал, что с появлением и развитием многоклеточности связано от 180 до 357генов, и она не нуждается в крупномасштабных изменениях генома. Главным отличием многоклеточных организмов оказалась особая настройка имеющихся программ контроля клеточного цикла (общее для всех хламидомонадовых множественное деление различается по периодичности и числу делений клеток).

Оказалось, что у Gonium *и *Volvox, как и у растений и животных, за их регуляцию отвечают гомологи регуляторного пути ретинобластомы.В нем циклинзависимые киназы связываются с белками-циклинами, фосфорилируя генретинобластомы RB, который выключает репрессию клеточного цикла. У многоклеточных водорослей гены циклина D1имеют значительно больший размер. У них также изменен ген RB таким образом, чтобы повышать экспрессию генов, относящихся к многоклеточности, в фазе G1 клеточного цикла.

Чтобы подтвердить роль этого сигнального пути в появлении многоклеточности, исследователи заменили собственный ген RB Chlamydomonas на аналогичный ген Gonium. Это привело к образованию колоний, состоящих из 2—16 клеток, у изначально одноклеточного организма. Выключение гена циклина D1 предотвращало этот процесс.

Автор: Олег Лищук