Исследователи изучили способность миксобактерий отличать "своих" от "чужих"

Фундаментальный вопрос биологии — как отдельные клетки в многоклеточном организме взаимодействуют для координации различных процессов.

Исследователь из Университета Вайоминга и его аспиранты изучили миксобактерии — обычные почвенные микробы, которые охотятся на другие микробы. Они задались вопросом: «Как клетки из разнообразной среды распознают другие клетки как родственные или клональные, чтобы строить социальные группы и многоклеточный организм?»

«Миксобактерии собирают многоклеточный организм, объединяя клетки из окружающей среды. Это контрастирует с растениями и животными, где гаметы сливаются, создавая уникальную клетку, которая при клональном размножении формирует многоклеточный организм», — говорит Дэн Уолл, профессор кафедры молекулярной биологии. «Способность миксобактерий создавать многоклеточные организмы удивительна, учитывая, что почва считается самой разнообразной средой на планете, где небольшой образец может содержать десятки тысяч видов микробов».

Уолл — автор-корреспондент статьи «Быстрая диверсификация диких социальных групп, обусловленная локусами токсин-иммунитета на мобильных генетических элементах», опубликованной 22 июня в International Society for Microbial Ecology (ISME) Journal.

Соавторы статьи — Кристофер Вассалло и Вера Трошель, бывшие аспиранты лаборатории Уолла (ныне постдоки в MIT и Lawrence Berkeley National Laboratory соответственно), а также Майкл Вельтцер, аспирант UW.

Механизм распознавания «свой-чужой»

Эта работа в основном фундаментальна и касается того, как клетки различают «своих» и «чужих». «Многоклеточность — сложный образ жизни для эволюции и поддержания, потому что клетки — наименьшая единица жизни, и существует давление отбора, заставляющее их использовать свою среду, включая другие клетки, в своих интересах», — объясняет Уолл. — «Например, так делают раковые клетки, постоянно возникающие в нашем теле. К счастью, наша иммунная система распознает их как «чужих» и устраняет. Наша система работает аналогичным образом».

Работа группы Уолла основана на более раннем исследовании, которое показало, что в небольшом образце почвы существует ещё один уровень замечательного разнообразия на уровне подвидов. Среди изолятов Myxococcus xanthus существует множество различных социальных групп, которые дискриминируют друг друга. Однако предыдущее исследование не объяснило, как это работает на молекулярном уровне.

Роль токсинов и рецептора TraA

Новая статья в ISME Journal также развивает предыдущую работу Вассалло и Уолла, опубликованную в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 19 ноября 2019 года.

Работа в PNAS показала, что Myxococcus xanthus экспрессирует высоковариабельный клеточный поверхностный рецептор TraA. Клетки используют эти рецепторы (имеющие множество различных последовательностей или аллелей в популяциях) для распознавания других клеток как возможных клонов или «своих». Если другие клетки несут идентичные рецепторы TraA, они взаимодействуют. Это приводит к временному слиянию клеток, где они обмениваются клеточными компонентами, такими как белки и липиды, но не ДНК. В этот «груз» входят высоковариабельные токсичные белки.

Таким образом, если другие клетки являются истинными клонами, у них есть генетически закодированный иммунитет к этим токсинам. Но если это дивергентные клетки, которые случайно имеют совместимые рецепторы TraA, но не являются клонами, они будут убиты переносом токсина. В статье PNAS было обнаружено шесть различных семейств токсинов, доставляемых через распознавание и обмен TraA.

Проверка предсказаний и новые системы

В исследовании для ISME Journal учёные проверили свои предсказания. «Мы проанализировали общедоступные геномы 22 штаммов миксобактерий, идентифицировали их гены токсинов и предсказали, как они будут социально взаимодействовать», — говорит Уолл. — «Мы обнаружили идеальную корреляцию между нашими предсказаниями и эмпирическими данными других исследователей. Затем мы экспериментально проверили наши прогнозы, создавая мутантов, и показали, что можем инженерным путём создать социальную гармонию между враждебными штаммами, инактивировав перенос токсина».

Наряду с системой доставки/дискриминации TraA, группа также обнаружила, что в распознавании родственных клеток участвуют две другие системы — система секреции VI типа (T6SS) и система rearrangement hotspot (RHS). T6SS — это молекулярный инъекционный аппарат, который переносит токсины в соседние клетки. RHS также служит нанооружием, хотя и плохо изучена.

Кроме того, группа показала, что ключевые дискриминационные гены токсинов расположены на мобильных генетических элементах в хромосоме. То есть эти тесно связанные штаммы недавно разошлись в результате горизонтального переноса генов в их среде, опосредованного вирусоподобными частицами.