Одиночные клетки переходят к коллективной жизни случайно, но отказываются от нее закономерно

Рис. 1. Бактерии могут переходить от одиночного образа жизни к коллективному, формируя биопленки. Процесс перехода регулируется как внешними условиями, так и внутренними случайными процессами. Фото с сайта www.laurengreenbergmd.com

Бактериальные клетки обладают внутренними ресурсами, определяющими, быть ли клетке одиночкой или жить в коллективе. Механизм, переключающий один образ жизни на другой, исключительно прост: в нем задействованы всего три гена. Но этот механизм обеспечивает слаженный (или, по-другому, модульный) переход из одного состояния в другое. Без этого невозможно было бы поддерживать сцепленные ансамбли клеток сколько-нибудь продолжительное время. Авторы работы считают, что этот механизм мог выполнять роль «тренажера многоклеточности».

Перед нами статья с провокационным названием «Память и согласованное принятие решения о будущем клеток». В действительности специалисты c кафедры молекулярной и клеточной биологии Гарвардского университета и кафедры системной биологии Гарвардской медицинской школы обсуждали, как клетка переходит от жизни одиночки к слаженной жизни в многоклеточном коллективе. Что заставляет клетку переключаться с одного образа жизни на другой, меняя свою судьбу? Внешние условия или присущие самой клетке внутренние свойства?

Этот вопрос с практических позиций важен, так как раскрывает базовые принципы образования бактериальных биопленок (рис. 1) — этой вездесущей формы микробиальной жизни. С другой стороны, авторы рассуждают и об академических вопросах — о самых ранних предпосылках возникновения многоклеточности. Если переход к сцепленному состоянию и обратно стохастичен, то никаких биопленок не получится: конгломераты клеток окажутся недолговечными и неопределенного размера. Значит, этот переход регулируется внешними и внутренними условиями клеточной среды (см.: «Чувство кворума»: принятие коллективных решений в макро- и микромире, «Элементы», 02.04.2009).

Перед гарвардскими специалистами стояла непростая задача — отделить внешнюю регуляцию от собственно клеточной и рассмотреть их по отдельности. Чтобы это выполнить, они сконструировали необычную установку, в которой влияние внешних условий было сведено к минимуму, равно как и влияние клеток друг на друга.

Эта установка представляла собой кювету с каналами. Каждый канал состоял из центральной, относительно глубокой бороздки, шириной и глубиной в одну клетку, и более мелких боковых протоков, окружающих основную бороздку и сообщающихся с ней. В центральной бороздке помещались клетки, их омывал медленно текущий по боковым протокам культуральный раствор. Таким образом, среда вокруг клеток постоянно обновлялась, все метаболиты, выделяемые клетками во внешнюю среду, удалялись текущим раствором. В центральных бороздках клетки росли и делились; если клеток в центральной бороздке становилось слишком много (больше, чем длина бороздки), то «лишние» клетки просто выходили из бороздок в кювету.

За судьбой каждой клетки в кювете можно было проследить. Из многих разнородных показателей клеточной судьбы авторы работы выбрали одиночность или коллективность. Подвижные одиночные клетки противопоставлялись неподвижным сцепленным. В одиночных подвижных клетках выделялся белок флагеллин; если на него ставили специальную зеленую метку, то было хорошо видно, что клетка является подвижной одиночкой. Неподвижные коллективисты флагеллина не выделяют, зато у них экспрессируется другой белок (матрикс), и его покрасили красной меткой. Так что в бороздках кюветы в соответствии с выбранной судьбой росли и делились красные коллективисты и зеленые одиночки. Если клетка меняла образ жизни, в ряду клеток одного цвета появлялось поколение другого цвета (рис. 2).



Рис. 2. Фото одной из бороздок, в которой одна из клеток — она обведена желтым прямоугольником — сменила подвижный образ жизни (зеленый) на сцепленный (красный); эту бороздку снимали каждые 10 минут, затем все фото объединили на одном рисунке (кимограмме). Потомки этой клетки продолжали оставаться коллективистами, потом снова одна из клеток перешла на одиночный образ жизни, давая одиночное (зеленое) потомство. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature.

Переход от одного образа жизни к другому регулируется за счет внутренних, а не внешних механизмов. Известно, что в этой регуляции задействованы всего три гена: SlrR, SinR и SinI. SinR обеспечивает подвижность клетке и тормозит SlrR, SlrR, в свою очередь, организует производство экзополимеров, обеспечивающих сцепление клеток, и тормозит SinR. Иными словами, SlrR и SinR образуют петлю обратной связи (рис. 3) и взаимно регулируют друг друга. SinI, включившись в это взаимное противостояние, действует в пользу коллективистов, ингибируя дополнительно SinR. Поэтому судьба клетки — одиночная или коллективная — зависит от количества этих трех регуляторов.



Рис. 3. Петли обратной связи, регулирующие переход от подвижного одиночного к неподвижному сцепленному образу жизни и обратно; в регуляции задействованы три гена. Схема из синопсиса к обсуждаемой статье в Nature.

Если процесс перехода стохастичен, то есть количество этих регуляторов зависит от случайного колебания клеточных процессов, то число поколений в одном состоянии до перехода в другое состояние будет распределено по экспоненте (как период полураспада). Оказалось, что переход из подвижного состояния в сцепленное действительно случаен, а вот обратно — от сцепленного к подвижному — существенно сложнее (рис. 4). Время, отведенное на жизнь в коллективе, оказалось существенно короче, чем время одиночной жизни. В среднем клетки поддерживают сцепленное состояние в течение 8 генераций (продолжительность жизни клетки между двумя делениями около 27 минут), а потом все клетки в относительно короткое время распадаются, можно сказать — дружно прощаются с соседями.



Рис. 4. Распределение времени, проведенного в одном состоянии до перехода в другое: вверху — в подвижном состоянии, внизу — в сцепленном. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature.

Таким образом, один из переходов — от подвижного к неподвижному — стохастичен, то есть зависит от случайных колебаний концентраций регуляторов, зато второй обладает модульностью — то есть слаженным поведением клеток, и памятью — то есть время жизни в этом состоянии предопределено, последующее состояние зависит от предшествующих событий.

Почему переходы из одного состояния в другое и обратно столь несимметричны? Гарвардская команда ответила на этот вопрос: всё дело оказалось в пульсации регулятора SinI. Распределение во времени этих пульсов случайно, поэтому случаен и переход к сцепленному состоянию. А вот обратный переход зависит от каких-то веществ, которые начинают экспрессироваться в результате этого пульса. Быстрое нарастание количества этих веществ, например белка матрикса (того, что красили в красный цвет), приводит к образованию цепочки. Время их синтеза (а значит, их количество), так или иначе, определено. После прекращения синтеза их концентрация постепенно падает, ген SinR снова начинает работу и клетки переходят в подвижную фазу.

Получается, что время в сцепленном состоянии предопределено количеством «клея», выделяемого во время пульса SinI; как только его концентрация разбавляется ниже определенного значения или около того, клетки хором теряют связь друг с другом, начинается синтез флагеллина. Память процессу обеспечивает ограниченность количества этого вещества, а скорость его разбавления — относительно строгую продолжительность неподвижной фазы; существование предельно возможной концентрации, которая способна удержать клетки вместе, обеспечивает слаженность всему процессу перехода.

Таким образом, даже в отсутствии внешних стимулов клетки могут переходить от одного состояния в другое все вместе. Механизм, ответственный за слаженность «решения» клеток, исключительно прост. В нем задействованы два гена, взаимно регулирующие друг друга, и третье вещество, которое синтезируется короткими пульсами. Авторы работы выдвигают предположение, что такой механизм мог быть предтечей перехода к многоклеточному существованию биопленок и клеточных конгломератов, на нем выстроилась регуляция устойчивых многоклеточных коллективов.

Вполне возможно, что исследователи столкнулись с неким общим принципом организации модульных процессов. Иллюстрируя такую возможность, Джеймс Лок, прокомментировавший эту работу, заметил, что примерно те же закономерности обнаружили зоологи, наблюдавшие за коровами. Коровы в стоячем положении (подвижном) проводят случайное количество времени, но стоит им лечь (перейти к неподвижной фазе существования), как судьба их предрешена — лежачее время определено относительно точно. Это исследование с коровами получило Шнобелевскую премию 2013 года. Ну что же, в каждой шутке есть доля правды.

Источник