Как зелёные водоросли считают деления клеток: ключевой шаг в эволюции многоклеточной жизни
Международная исследовательская группа под руководством Джеймса Юмена, доктора философии, из Дональда Дэнфортского центра наук о растениях, сделала неожиданное открытие предвзятого механизма «счёта», который использует одноклеточная зелёная водоросль Chlamydomonas для контроля деления клеток. Клетки Chlamydomonas могут вырастать очень большими, а затем делиться несколько раз подряд.
Команда обнаружила, что количество делений, которое материнская клетка предпринимает для восстановления дочерних клеток до правильного исходного размера, отклоняется от математического оптимума, который, как предполагалось, диктует этот процесс. Вместо этого материнские клетки почти никогда не делились всего один раз — они либо не делились вовсе, либо делились два или более раз.
Эта неожиданная предвзятость против одного деления имеет важные последствия для понимания эволюции многоклеточной жизни и открывает новые возможности для инженерии водорослевых клеток с целью повышения урожайности биотоплива и продуктов с высокой добавленной стоимостью. Статья под названием «A Cell-Based Model for Size Control in the Multiple Fission Alga Chlamydomonas reinhardtii» была опубликована в журнале Current Biology.
Клетки Chlamydomonas, как и многих других водорослей и одноклеточных протистов, могут вырастать очень большими перед делением. Эта нетипичная модель роста и деления позволяет им оптимально использовать свет и питательные вещества, но также создаёт проблему контроля размера. В одних условиях клетки едва удваивают свой размер перед делением и нуждаются только в одном делении; в благоприятных условиях та же клетка может вырасти более чем в десять раз и должна делиться несколько раз подряд, чтобы произвести дочерние клетки правильного размера.
Эта изменчивость размера представляет загадку, которую решила эволюция механизма в Chlamydomonas, позволяющего клеткам оценивать свой размер и «отсчитывать» правильное количество делений. «Всегда предполагалось, что модель деления диктуется простым соотношением между размером материнской клетки и количеством делений, и модели, основанные на этом, могут точно предсказывать поведение целых популяций клеток», — сказал Юмен.
«Но, наблюдая за поведением при делении тысяч отдельных клеток разного размера, мы обнаружили неожиданный дефицит клеток, делящихся всего один раз». Вместо этого клетки, которые должны были разделиться один раз, предпочли не делиться вовсе, и большинство клеток становились способными к делению только после того, как более чем удваивались в размере.
Столкнувшись с этим неожиданным результатом, члены команды Абхюдай Сингх, доктор философии, профессор Университета Делавэра, и Сесар Аугусто Варгас-Гарсия, доктор философии, руководитель аналитической группы AGROSAVIA (Колумбия), использовали математическое моделирование для создания более точной прогностической модели поведения клеток. Исследовательская группа в Центре Дэнфорта во главе с Диани Лю, доктором философии, постдокторантом, углубилась в изучение генетических механизмов, вызывающих наблюдаемую предвзятость счёта.
Команда обнаружила, что хорошо известный, но всё ещё плохо изученный генетический механизм контроля деления клеток, обнаруженный у водорослей, растений и людей — путь супрессора опухоли ретинобластомы — играет критическую роль в предотвращении всего одного деления.
«Хотя мы только в начале понимания того, как путь ретинобластомы работает у водорослей, открытие механизма внесения предвзятости в поведение при делении клеток сразу же предполагает способ, которым клетки изменили своё деление как важный шаг в эволюции многоклеточной жизни», — заявил Лю.
Многоклеточные родственники Chlamydomonas не только пропускают возможность одного деления, но и могут предотвращать деление, пока не вырастут во много раз. Это позволяет одной клетке быстро производить целую новую многоклеточную особь с сотнями или даже тысячами клеток, что критически важно для приспособленности и выживания.
«Предвзятость против одного деления, которую мы наблюдали у Chlamydomonas, скорее всего, присутствовала у прямых предков её многоклеточных родственников и была дополнительно усилена по мере того, как они эволюционировали в сторону большего размера и сложности», — предполагает Юмен. Хотя остаётся неясным, почему клетки развили предвзятость против деления всего один раз, знание этого механизма и его генетического контроля имеет практическое значение в биотехнологии водорослей, где размер клетки может влиять на выход продуктов с высокой добавленной стоимостью и даже на восприимчивость водорослей к хищничеству фильтраторов в открытых прудовых культурах.
В перспективе команда сосредоточена на понимании и моделировании конкретных механизмов, используемых путём ретинобластомы для изменения поведения деления клеток у водорослей. Эта работа может привести к прогрессу в биотехнологии водорослей и даже пролить свет на то, как путь ретинобластомы предотвращает развитие рака в человеческих клетках и не позволяет растительным клеткам делиться в неподходящее время и месте.