Возникновение многоклеточности возможно без серьезных перестроек на генном уровне

Сравнение геномов многоклеточных водорослей Volvox carteri и их ближайших родственников одноклеточных Chlamydomonas reinhardtii показало, что многоклеточные организмы могут строить свои более сложные молекулярные комплексы из тех же составных частей, что существуют и у их одноклеточных предков.

"Если рассматривать белки как составные детали конструктора, то Chlamydomonas имеет замечательный набор таких составных частей!" - поясняет Джеймс Умен, профессор Лаборатории Молекулярной и Клеточной Биологии Растений Института Сэлк, - "Вольвоксу не понадобились дополнительные детали, вольвокс лишь поэкспериментировал с теми составными частями, что были унаследованы от предков. Мы ожидали большую разницу в размерах генома, числе генов и групп генов между Volvox и Chlamydomonas, но выяснилось, что это не так!"

Многоклеточность возникает независимо в разных группах живых организмов, включая животных, грибы, растения, в том числе зеленые и красные водоросли. "Этот переход - одно из величайших эволюционных событий, изменивших развитие жизни на Земле!" - считает соавтор данного исследования Симон Прочник, компьютерщик из Объединенного Института Генома при Департаменте Энергии США, - "Было выдвинуто много гипотез в попытке объяснить, что же позволило многоклеточным организмам быть более сложными чем их одноклеточные предки."

Большинство таких переходов от одноклеточного существования к многоклеточному произошло более 500 миллионов лет назад, так что изменения на генетическом уровне трудно проследить. Интересное исключение - вольвоксовые (группа зеленых водорослей) - в этой группе многоклеточность возникала как серия небольших шажков-изменений, и даже среди современных представителей этой группы можно проследить этапы усложнения морфологии и развития.

Считается, что Volvox - наиболее сложный представитель группы, - эволюционировал от предков, подобных Chlamydomonas, в ходе последних 200 миллионов лет, что делает эти современные организмы интересной моделью для изучения возникновения многоклеточности и клеточных дифференцировок. Ученые сиквенировали, то есть определили последовательность 138 миллионов пар нуклеотидов в геноме Volvox. Геном сам по себе на 17% больше, чем ранее сиквенированный геном Chlamydomonas, и разница в последовательности нуклеотидов между этими геномами сравнима с разницей между человеком и курицей.

Несмотря на небольшое увеличение размера генома, предсказанное учеными число белков очень близко для этих двух организмов: 14,566 у Volvox против 14,516 у Chlamydomonas, и ученые не смогли обнаружить также каких-то принципиальных отличий в наборе белковых доменов (составных блоков в строении белков) и комбинаций этих доменов.

"Это было совершенно неожиданным!" - поясняет Умен, - "ведь до нашего открытия считалось, что появление новых доменов белков играет важную роль в эволюции многоклеточности у растений и животных."

Несмотря на то, что в целом по белкам большой разницы не было, белки, специфичные именно для вольвоксовых, например, белки внеклеточного матрикса, отличались, - у представителей Volvox таких белков было больше по сравнению с Chlamydomonas.

Каждая зрелая колония Volvox состоит из клеток со жгутиками, похожих на клетки Chlamydomonas, включенных в особым образом организованный внеклеточных матрикс, похожий на клеточные стенки клеток Chlamydomonas. Внеклеточный матрикс Volvox и по размерам и по сложности организации превосходит клеточную стенку Chlamydomonas, и это соотносится с увеличением числа и разнообразия генов, кодирующих основные белки внеклеточного матрикса ферофорины и поверхностные белки семейства VMP.

Кроме того, Умен и его коллеги обнаружили увеличение у Volvox белка циклина D, который регулирует деление клеток. Видимо, это связано с более сложной регуляцией деления клеток в ходе развития Volvox. Наконец, как выяснили ученые, у Volvox произошло изменение функциональной роли некоторых генов: например, некоторые из белков ферофоринов стали выполнять роль гормональных сигналов, запускающих процессы половой дифференцировки.

Источник