Возникновение многоклеточности возможно без серьезных перестроек на генном уровне

Одним из важнейших этапов в эволюции живого мира было возникновение многоклеточных организмов из одноклеточных. Как считают ученые из Института Биологических Исследований Сэлк и Объединенного Института Генома при Департаменте Энергии США, вопреки распространенному до недавнего времени мнению, этот процесс не требовал серьезных перестроек генома.

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

«Научные истины всегда парадоксальны, если судить на основании повседневного опыта, который улавливает лишь обманчивую видимость вещей»

Карл Маркс

Научный подход на Google Play

Файлы

Характер физических законов

Живые организмы - спутники человека

Внушение и его роль в общественной жизни

Руководство по управлению космическим кораблём Земля