Как клетки реагируют на изменения? Новое исследование показывает, что дело не только в генах
Клетки постоянно находятся в движении, будь то в развивающемся эмбрионе или при метастатическом раке. Традиционно считалось, что клетки адаптируются к изменениям и стрессорам в окружающей среде с помощью генетических мутаций или изменения экспрессии генов.
Однако новое исследование под руководством Йельского университета показывает, что мигрирующие бактериальные клетки также могут быстро и коллективно реагировать на изменения в окружающей среде без каких-либо генетических изменений. Учёные обнаружили, что популяции клеток могут адаптироваться «негенетически» к новым условиям просто за счёт роста и отставания более медленных клеток.
Это открытие, описанное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, имеет значение для всей биологии — от понимания эволюции до разработки новых терапевтических стратегий при таких заболеваниях, как рак.
«Учитывая распространённость коллективной миграции у микробов, при раке и в эмбриональном развитии, негенетическая адаптация посредством коллективной миграции может быть универсальным механизмом для навигации популяций в разнообразных средах», — сказал автор-корреспондент Тьерри Эмонет.
Новый адаптивный механизм, теоретически предсказанный три года назад и теперь продемонстрированный экспериментально, позволяет мигрирующим популяциям клеток реагировать на изменения окружающей среды всего за два-три поколения, не полагаясь на регуляцию генов или мутации.
Чтобы показать, как это работает, исследователи поместили генетически идентичные бактерии Escherichia coli — демонстрирующие разное поведение при плавании — в жидкую и пористую среду и наблюдали за их коллективной миграцией.
- В жидкой среде, сравнимой с прямым шоссе, бактерии, которые плыли прямо дольше, выходили вперёд, а те, которые часто поворачивали, отставали. Со временем популяция обогащалась такими «гладкими пловцами».
- В пористых средах с препятствиями преимущество оказалось у склонности часто поворачивать, чтобы выбираться из тупиков. В этих средах лидерами становились бактерии, которые чаще поворачивали, а популяции «гладких пловцов» постепенно редели.
«"Гладкие пловцы" — это как водители Porsche, а те, кто чаще поворачивает, — как водители Jeep. Разные среды диктуют, кто работает лучше», — пояснил соавтор Лам Во.
Ключевой момент: обогащение определёнными типами плавания нельзя было объяснить мутациями или экспрессией генов. Исследователи не нашли доказательств изменений в экспрессии генов, регулирующих это поведение, во время миграции.
Поскольку не было изменений в экспрессии генов или мутаций, популяции не «фиксировались» на одной среде — одной миграции было достаточно, чтобы временно обогатить популяцию хорошо адаптированными особями.
«Негенетическая адаптация через коллективную миграцию не только позволяет быстро реагировать на новые среды, но и позволяет популяциям клеток реагировать на множество биологических вызовов одновременно», — отметил соавтор Фотиос Авгидис.
Помимо адаптации к изменениям среды за два-три поколения, этот механизм также может модулировать количество хеморецепторов в зависимости от того, за какими аттрактантами гонятся бактерии, что подчёркивает его потенциальную гибкость.
«Этот процесс, вероятно, применим ко многим типам клеток, как прокариотическим, так и эукариотическим, которые расщепляют факторы среды и создают собственный градиент для преследования», — сказал Эмонет.
«Наши результаты демонстрируют, что когда коллективное поведение создаёт давление отбора, популяции клеток могут обратимо адаптировать множество признаков со скоростью и гибкостью, которых трудно достичь с помощью классических механизмов», — добавил соавтор Генри Мэттингли.