Клетки и выбор между жизнью и смертью: уроки социальной амёбы
Клетки постоянно принимают решения. Многие из них запрограммированы в ДНК, но другие кажутся автономными, при этом тысячи независимых выборов складываются в организованный результат. В эмбрионе стволовые клетки должны дифференцироваться в определённые типы клеток, и для здорового развития важен правильный баланс. Однако даже при добавлении нужного химического сигнала в культуру стволовых клеток лишь малая их часть дифференцируется, что указывает на наличие других механизмов.
Профессор Крис Томпсон из Университета Манчестера изучает простой организм Dictyostelium (социальную амёбу или слизевик), чтобы понять основы клеточного выбора. Его жизненный цикл включает стадию дифференцировки, но клетки выбирают только между жизнью и смертью. Dicty — простая модель для изучения фундаментальных процессов, актуальных и для человеческих клеток.
Социальный жизненный цикл
Когда пищи много, каждая клетка Dicty живёт отдельно. При нехватке пищи они объединяются в многоклеточный организм, который движется к поверхности. Там они формируют плодовое тело со стеблем и головкой со спорами. Клетки в спорах имеют шанс на выживание и распространение. Стебель же состоит из мёртвых клеток, пожертвовавших собой.
Интерес Криса сосредоточен на решении клетки стать стеблем или спорой. Каждый раз в стебель превращается строго определённая доля клеток. Выбор делает каждая клетка автономно, и нет видимого паттерна в распределении — возникает характерный «перечный» вид, как при дифференцировке стволовых клеток, который «кажется случайным лишь потому, что мы не видим лежащий в основе паттерн».
Эволюционная перспектива и общение клеток
С эволюционной точки зрения, альтруизм клеток стебля обеспечивает выживание их генов через родственные споры. Если в организме присутствуют разные штаммы, некоторые могут «жульничать», производя больше спор, чем положено, за счёт других. Однако «жульничающие» штаммы не доминируют — должен существовать компромисс. «Нужно понять генетическую схему принятия решения о стебле или споре», — говорит Крис.
Ключевую роль играет коммуникация клеток. После принятия решения клетка посылает химические сигналы соседям. Это может быть механизмом поддержания правильной пропорции стебля и спор, а также способом регуляции дифференцировки у более сложных организмов, включая человека. Однако это не объясняет, что побуждает первую клетку в цепи принять то или иное решение.
Гены, шум и случайность
Хотя предсказать решение отдельной клетки невозможно, есть некоторые транзиторные индикаторы. Удалось идентифицировать гены, экспрессия которых создаёт маркеры, предсказывающие будущий выбор клетки. Эти гены экспрессируются в некоторых клетках даже в нормальных условиях, возможно, «подготавливая» их к реакции в кризисной ситуации.
Поскольку все клетки одного штамма имеют одинаковые гены, возникает вопрос: почему эти гены экспрессируются только в некоторых из них? Одна из гипотез — периодическая экспрессия генов в каждой клетке. Клетки экспрессируют гены с одинаковой частотой, но не синхронизированы, что объясняет, почему в любой момент времени «подготовлена» лишь определённая их доля.
В лаборатории Криса начали находить такие гены: «Это даёт нам возможность понять поведение Dicty при принятии решений. Мы можем создавать мутантные штаммы с изменённой частотой, что приводит к другим пропорциям стебля и спор». Возможно, эволюция использовала периодическое включение/выключение генов для контроля общего результата тысяч индивидуальных решений.
«Наше исследование предполагает, что системы могут использовать присущий любой физической или химической системе шум или случайность для помощи в принятии решений», — говорит Крис.
Таким образом, наблюдение, что некоторые клетки Dicty пытаются «сжульничать», может быть просто результатом разной частоты экспрессии «подготавливающих» генов у разных штаммов, а не актом «антисоциального» поведения. Раскрывая секреты своего процесса принятия решений, Dicty помогает понять, как регулируются решения человеческих клеток на ранних стадиях развития.