Железа химической защиты жука раскрывает тайны эволюции сложных органов

Жуки-стафилиниды — настоящие химики мира насекомых. Они синтезируют токсичные соединения внутри своего тела, которые используются как оружие против хищников. Это позволяет им выживать в лесной подстилке и почве по всей планете. 9 декабря в журнале Cell исследователи, изучающие вид Dalotia coriaria, сообщили, как два разных типа клеток объединились, чтобы сформировать специализированную железу для производства и секреции этих защитных "коктейлей". Эта работа помогает понять эволюцию более сложных органов во всём животном мире, включая человека.

"Эти жуки — фантастические модели для понимания того, как новые экологические отношения возникают в ходе эволюции через изменения на молекулярном, клеточном и поведенческом уровнях", — говорит старший автор Джозеф Паркер из Калифорнийского технологического института.

Вид Dalotia coriaria имеет в брюшке так называемую тергальную железу, которая выделяет коктейль из двух типов соединений:

• Бензохиноны — высокотоксичные, но твёрдые сами по себе.
• Растворители — смесь алкана и трёх сложных эфиров, производных жирных кислот.

Растворители сами по себе безвредны, но они "вооружают" бензохиноны, растворяя их.

Исследование показало, что в железе существует биосинтетическое разделение труда между двумя типами клеток:

• Один тип клеток производит бензохиноны.
• Другой тип клеток производит растворители.

Для создания функционального секрета, имеющего адаптивную ценность, необходимы оба компонента.

С помощью одноклеточной транскриптомики учёные обнаружили новые ферментативные пути, позволяющие создавать эти вещества в каждом типе клеток. Оказалось, что клетки, производящие растворители (алкан и эфиры), являются гибридом:

• Клеток экзоскелета жука.
• Двух древних метаболических типов клеток, которые производят и запасают липиды, а также вырабатывают феромоны.

Эксперименты, включая "боевые арены" с муравьями, показали, что если подавить путь синтеза либо растворителей, либо бензохинонов, жуки теряют защитные способности. Это говорит о том, что в условиях естественного отбора необходимы оба типа клеток. Также было обнаружено, что соединение, производимое железой, обладает антимикробными свойствами, что повышает её адаптивную ценность.

Авторы полагают, что железа эволюционировала путём коэволюции двух типов клеток. Клетки-растворители создали нишу для второго типа клеток, производящих твёрдые бензохиноны, которые могли растворяться. В результате появился высокотоксичный секрет, который резко повысил адаптивную ценность железы и "закрепил" оба типа клеток в единый кооперирующий орган.

"Сценарий, который мы наблюдаем в тергальной железе — органе всего из двух типов клеток — можно представить в дальнейших эволюционных раундах, где клетки создают ниши для добавления новых, в конечном итоге порождая действительно сложную многоклеточную структуру", — заключает Паркер.