Эволюция с кнопкой "Отмена": оказывается, граница между одноклеточным и сложным организмом — не миллионы лет, а один белок

Учёные из Университета Нагоя в Японии подробно разобрались, как живой организм может переключаться между одиночным и многоклеточным образом жизни — и какие именно гены за это отвечают. Это редкий случай, когда один и тот же вид умеет жить сразу в двух форматах, выбирая подходящий в зависимости от условий. Работа даёт наглядное представление о том, как когда-то могли появиться первые многоклеточные организмы и почему эволюция вообще пошла по этому пути.

В центре исследования — чёрные морские дрожжи Hortaea werneckii. Это микроскопический гриб, обитающий в океане, где условия постоянно меняются. Когда пищи много, его клетки делятся и остаются связанными друг с другом, образуя простые многоклеточные структуры. Но если питательных веществ становится мало, клетки начинают отделяться, размножаться почкованием и жить поодиночке. В таком виде им проще перемещаться в воде и искать более благоприятные места.

Такую «переключаемость» можно считать эволюционным преимуществом. Океан — среда нестабильная: сегодня здесь много питательных веществ, завтра течение унесёт их прочь. Умение быстро менять форму существования повышает шансы на выживание.

Чтобы понять, как именно механизм работает на уровне генов, команда под руководством профессора Гохты Госимы из Морской биологической лаборатории Сугасима пошла от обратного. Исследователи отобрали мутантные штаммы дрожжей, которые утратили способность переключаться, и посмотрели, какие гены в них повреждены. В результате удалось выделить 10 ключевых генов, управляющих этим процессом.

Особенно интересным оказался 1 из них — ген, кодирующий белок Myb1. Он действует как своего рода главный рубильник. Когда Myb1 много, клетки предпочитают одиночный образ жизни: они почкуются и расходятся. Когда же условия благоприятны и пищи достаточно, этот белок разрушается, и клетки начинают «склеиваться», формируя многоклеточное тело.

Эксперименты показали, что всё не так просто, как 1 ген — 1 функция. Если удалить Myb1, дрожжи застревают в 1 состоянии и теряют гибкость. Но если одновременно отключить ещё 1 ген, способность переключаться неожиданно возвращается. Это говорит о том, что у организма есть несколько генетических путей, ведущих к 1 и тому же результату. Эволюция, по сути, оставляет запасные варианты.

Любопытно и происхождение этих генов. Часть из них ранее была известна как гены, участвующие в образовании спор у грибов. В случае H. werneckii эволюция «переиспользовала» их для другой задачи — управления формой жизни. Такой генетический круговорот считается 1 из типичных приёмов эволюции, когда старые инструменты приспосабливаются к новым функциям.

Исследователи также обратили внимание на то, где именно в природе встречаются разные формы этих дрожжей. Штаммы, склонные к многоклеточности, обнаруживались на поверхности морских губок и кораллов. Эти места богаты питательными веществами благодаря симбиотическим бактериям. По мнению авторов работы, многоклеточное тело помогает дрожжам удерживаться на таких поверхностях и не смываться течениями.

Лабораторные эксперименты подтвердили эту гипотезу. Когда одиночные клетки и многоклеточные структуры помещали в условия искусственного потока воды, «склеенные» формы оставались на месте, а одиночные клетки легко уносило.

Отдельная часть исследования была посвящена сравнению H. werneckii с родственными видами дрожжей. Выяснилось, что даже близкие виды могут решать 1 и ту же задачу — переключение между формами жизни — разными генетическими способами. Например, у Neodothiora pruni похожее поведение есть, но ключевая роль Myb1 для него уже не обязательна. Другие родственные виды и вовсе утратили такую гибкость, став либо навсегда одиночными, либо постоянно многоклеточными.

Это показывает, что путь к многоклеточности не был единственным и прямым. Эволюция пробовала разные варианты, и переключаемость между формами, судя по всему, могла возникать и исчезать многократно.

По словам профессора Госимы, следующий шаг — понять, как такие простые многоклеточные структуры со временем могли усложняться и превращаться в более развитые формы жизни. Уже сейчас ясно, что достаточно 1-2 мутаций, чтобы организм потерял или, наоборот, вернул способность менять форму существования.

В этом смысле H. werneckii становится удобной моделью для изучения 1 из ключевых моментов в истории жизни на Земле. Возможно, именно такие гибкие организмы стали промежуточным этапом между одиночными клетками и теми сложными многоклеточными существами, к которым в итоге пришла эволюция.