Ерос одноклітинних

Наталія Резнік

Переважна більшість еукаріот розмножуються статевим шляхом, проте не у всіх цей процес легко спостерігати. У багатьох одноклітинних організмів він оповитий горіолом таємничості і залежить від зовнішніх умов, таких як вологість, температура або наявність поживних речовин, концентрація вуглекислого газу або освітленість. Тепер до цього списку додалися мікробні «афродизіаки» — білки, що виділяються бактеріями в зовнішнє середовище. Виявили їх випадково.

Професор Каліфорнійського університету в Берклі Ніколь Кінг (Nicole King) цікавиться походженням тварин, особливо виникненням багатоклітинності. Як об’єкт дослідження вона вибрала хоанофлагелят (Choanoflagellata). Це одноклітинні еукаріоти, найближчі родичі тварин. Клітина має джгутик, оточений комірцем з актинових мікроворсинок, завдяки якому ці найпростіші отримали другу назву — комірцеві. Рух джгутика створює струми рідини, що дозволяють хоанофлагелятам плавати в товщі води. Ці ж струми приганяють у комірцеву зону бактерій, якими хоанофлагеляти харчуються. Багато з цих найпростіших утворюють колонії, причому легко переходять з одноклітинного стану в колоніальне і назад. Цей перехід і зацікавив Ніколь Кінг (рис. 1).

Ріс. 1. Ніколь Кінг розповідає про хоанофлагелятів (зображення www.ibiology.org)

Вона і її колеги працювали з видом Salpingoeca rosetta, який утворює ланцюжки і сферичні колонії, звані розетками. Саме у вигляді розеток їх свого часу виділили з природного середовища проживання — ілистих опадів біля узбережжя острова Хог у штаті Вірджинія. Однак в лабораторних умовах S. rosetta навідріз відмовлялися утворювати колонії і існували в одноклітинній формі. Лише через десятиліття, завдяки випадковості, дослідникам вдалося отримати розетки при спільному культивуванні S. Rosetta з бактеріями Algoriphagus machipongonensis [1]. Через 15 хвилин після додавання бактерій у середу S. rosetta починали ділитися, утворюючи колонії від 2 до 50 клітин (рис. 2). Дослідники довели, що розетки утворюються саме в результаті поділу еукаріот, а не тому, що одиночні клітини збираються разом і утворюють агрегати [2].

Ріс. 2. Колонії-розетки Salpingoeca rosetta (зображення instruct.uwo.ca)

Для подальших досліджень Ніколь Кінг об’єднала зусилля з професором кафедри біохімії та молекулярної фармакології Гарвардської медичної школи Джоном Кларді (John Clardy). Співробітники його лабораторії встановили, що роль сигнальних молекул відіграють деякі ліпіди зовнішньої мембрани бактерій. Правда, вчені поки не знають, яким чином S. Rosetta сприймають сигнальні молекули.

Дослідники почали шукати інші бактерії, що впливають на утворення колоній. Для цього вони виділили в чистій культурі всі види бактерій, які в природних умовах сусідять з хоанофлагелятами, і по одному додавали їх в культуру одноклітинних S. rosetta. Метод наукового тику виявився результативним — протестувавши кілька десятків видів, вчені виявили ще кілька бактерій, що стимулюють формування розеток. А при спільному культивуванні з морськими бактеріями Vibrio fischer розетки не виникають, зате одиночні клітини збираються разом, утворюючи агрегати [3].

У лабораторній культурі S. Rosetta існує у вигляді гаплоїдних клітин. Агрегацію у хоанофлагелят раніше не описували; відомо, однак, що багато рухомих еукаріотів, у тому числі амеби та інфузорії, не кажучи вже про тварин: ракоподібних, комах, рибах, птахах і кажанах, — збираються у великі групи перед спарюванням. Тому вчені припустили, що S. Rosetta планують зайнятися тим самим, і свою гіпотезу перевірили. Для цього вони використовували суміш двох генетично різних штамів S. rosetta.

Дійсно, під дією V. Fischeri або середовища, в якому культивували вібріонів, хоанофлагеляти, що належать до різних штамів, утворювали агрегати, а потім розбивалися на пари, які зливалися, утворюючи клітку з двома ядрами. Потім зливаються і ядра, один з батьківських джгутиків втягується, і виникає диплоїдна клітина. Надалі з цих диплоїдів утворилися гаплоїдні клітини — безсумнівний результат мейотичної рекомбінації (рис. 3).

Ріс. 3. Бактерії Vibrio fischeri стимулюють статеве розмноження еукаріот [5] («ТрВ» № 19 (238), 26.09.2017) ‘) «>

Ріс. 3. Бактерії Vibrio fischeri стимулюють статеве розмноження еукаріот [5]

У лабораторії S. Rosetta розмножуються статевим шляхом вкрай рідко, після тривалого голодування, а тут — всього через 30 хвилин після додавання бактерій або живильного середовища з-під них! Ніколь Кінг і Джон Кларді вирішили, що бактерії виділяють в середу якийсь афродизіак, і приступили до його пошуків.

V. fischeri — бактерії, які вивчають з різних приводів. Вони освоїли багато екологічних ніш: існують як планктон в морській воді і опадах, як сапрофіти заселяють фекалії і туші мертвих морських тварин. Вони також формують різні асоціації з морськими тваринами — наприклад, населяють світяться органи кальмара Euprymna scolopes. V. Fischeri служать моделлю для вивчення почуття кворуму (quorum sensing) — здатності бактерій обмінюватися інформацією і координувати поведінку за допомогою таємничих молекул. Однак ні сигнальні молекули quorum sensing, ні полісахариди, необхідні для симбіозу з кальмаром, не стимулюють статеве розмноження S. rosetta. Не впливають на спарювання хоанофлагелят і молекули зовнішньої мембрани бактерій.

Афродизіаком виявився білок розміром близько 90 кДа, який отримав назву EroS (extracellular regulator of sex). Це фермент, що володіє хондроітіназною активністю, він розщеплює гіалурон і хондроітінсульфат S. rosetta. Дослідники довели, що для стимуляції агрегації і спарювання S. Rosetta ферментативна активність білка необхідна. Більш того, хондроітінази інших бактерій — Proteus vulgaris і Flavo bacterium heparinum, — також викликають статеву поведінку S. rosetta. Зворотне неправильно: інші види хоанофлагелят не реагують подібним чином на бактерії роду Vibrio.

Оскільки дисахариди, які утворюються в результаті ферментативного розщеплення хондроітінсульфату, не впливають на статеве розмноження S. rosetta, Ніколь Кінг і її колеги припустили, що основну роль у цьому процесі відіграє структурна модифікація складних білків пептидогліканів, до складу яких входить хондроітінсульфат. Але цю гіпотезу потрібно перевіряти, а для початку — зрозуміти, які функції виконують ці молекули у одноклітинних еукаріот (у тварин вони входять до складу позаклітинного матриксу).

V. fischeri стимулюють спарювання rosetta при концентрації клітин, порівнянної з спостережуваною в океані, тому вчені припускають, що бактерії можуть впливати на статеве розмноження S. Rosetta і в природних умовах.

У роботі Ніколь Кінг і її колег багато неясностей. У коментарі до цього дослідження, розміщеному в тому самому номері журналу Cell, запитання займають цілий абзац [5]. Фахівців серед іншого цікавить, яким чином EroS викликає агрегацію хоанофлагелят. Наскільки статеве розмноження S. Rosetta залежить від бактерій або вони можуть ініціювати цей процес якось ще? Чи самі бактерії отримують вигоду від скоєного? Можливо, S. rosetta, перебуваючи в диплоїдній фазі або займаючись статевим розмноженням, менше часу приділяють полюванню? І нарешті, який механізм дії EroS, на яку фізіологічну мішень він діє і яким чином розщеплення хондроітінсульфату сприяє агрегації і спарювання?

Чого тільки не роблять бактерії з еукаріотами: виховують їх імунну систему, допомагають травленню, керують поведінкою. У присутності бактеріальних факторів клітини дріжджеподібного гриба Candida albicans утворюють інвазивні гіфи, а морські діатомові водорості Pseudonitzschi amultiseries починають інтенсивно ділитися. Можливо, їхні ферменти впливають і на їх статеве розмноження еукаріот.

1. Nicole King: Choanoflagellates and the Origin of Animal Multicellularity

2. Fairclough S. R., Dayel M. J., King N. Multicellular development in a choanoflagellate // Curr. Biol. 2010. 20. R875–R876. DOI:10.1016/j.cub.2010.09.014

3. Woznica A., Gerdt J. P., Hulett R. E., Clardy J., King N. Mating in the Closest Living Relatives of Animals Is Induced by a Bacterial Chondroitinase // Cell. 2017. 170. 1175–1183. DOI:10.1016/j.cell.2017.08.005

4. Levin T., King N. Evidence for Sex and Recombination in the Choanoflagellate Salpingoeca rosetta // Curr. Biol. 2013. 23. 2176–2180. DOI:10.1016/j.cub.2013.08.061

5. Umen J., Goodenough U., Heitman J. Eukaryotic Sexual Reproduction Evoked «with a Little Help from My Friends» // Cell. 2017. 170. 1059–1061. DOI:10.1016/j.cell.2017.08.038