Микробы быстро становятся любимцами социальных сетей, потому что их взаимодействие можно понять вплоть до их генов. Они тоже делают интересные вещи: бактерии крадут железо друг у друга, убивают друг друга токсинами, противостоять которым могут только близкие родственники, и считать друг друга датчиками кворума.
Социальная амеба Dictyostelium discoideum, или сокращенно Dicty, представляет собой мощную систему социальных исследований благодаря напряженной работе поколений клеточных и молекулярных биологов, которые выяснили многие механизмы ее социального процесса. Но необходимы исследования на природе, чтобы понять, приносит ли кооперативное поведение Dicty пользу родственникам, и даже часто ли его социальная деятельность происходит в природе.
Как сообщается в Трудах Национальной наук.
Показательный пример из социологического исследования: вызванные голодом десятки тысяч ранее независимых амеб Dicty объединяются в подвижную слизь, которая в конечном итоге дифференцируется в плодовое тело с живыми спорами наверху стебля, состоящего из стерильных стеблевых клеток. Около 20 процентов клеток жертвуют собой, чтобы сформировать стебель, который поднимает в воздух живые споры и помогает им рассеиваться. Это четкое разделение на альтруистов (мертвые клетки стебля) и бенефициаров (живые споровые клетки) напоминает муравьиную колонию, где стерильные рабочие помогают своей королеве размножаться.
Но в отличие от муравьев, амебы иногда образуют социальную единицу, состоящую из неродственных особей. Воспользовавшись секвенированным геномом и многими известными генами Dicty, Дэвид Квеллер и Джоан Страссманн и их команда - Suegene Noh, Katie Geist и Xiangjun Tian - использовали умную технику, чтобы обойти трудности диких исследований Dicty.
Во-первых, они создали смеси, или химеры, из двух неродственных клонов Dicty и позволили им умереть с голоду. Затем они собрали клетки на ранней стадии, когда судьба альтруистов (стеблевая клетка) и бенефициаров (споровая клетка) только начинала выясняться, и секвенировали их РНК, чтобы определить, какие гены экспрессируются в этом процессе. Для сравнения они также провели отдельный контрольный эксперимент с одним клоном в смеси. Любые гены, экспрессия которых у химеры отличалась большей экспрессией по сравнению с контрольной группой, представляли интерес в качестве социальных генов. Чтобы убедиться, что они не просто смотрели на артефакты одной пары клонов, они повторили эксперимент с четырьмя разными парами клонов.
Мы начали с предсказания, что социальный конфликт вызовет быструю эволюцию, потому что каждый раз, когда вы развиваете трюк против своего оппонента, это создает давление отбора на вашего оппонента, чтобы он развивался против вас, и так далее, - сказал Квеллер, профессор биологии имени Спенсера Т. Олина.
Прогноз подтвердился. Используя 15 геномов Dicty, собранных авторами в почвах Вирджинии и Техаса, они обнаружили, что 78 генов, которые по-разному экспрессировались у химер, развивались быстрее, чем другие гены.
«Присутствие генов, особенно активированных у химер и демонстрирующих быструю эволюцию, интересно само по себе, но также и потому, что оно подтверждает достоверность лабораторных экспериментов по социальным взаимодействиям», - сказал Страссманн, профессор биологии Чарльза Ребстока. «Виды мошенничества и конкуренции, которые мы наблюдаем в лаборатории, - это, таким образом, не артефакт, а нечто, поддерживаемое нашим взглядом на гены, которые развивались на протяжении тысячелетий."
Сказал ведущий автор Suegene Noh, в настоящее время доцент Колледжа Колби: «Было особенно интересно увидеть такой четкий сигнал быстрой эволюции от этих генов, потому что дикие особи могут быть очень изменчивыми, даже когда они кажутся такими простыми, как одноклеточные амебы."
Исследователи также хотели выяснить, становятся ли клетки стеблем или спорой на основе родственного отбора или прямого отбора. Объяснение родственного отбора предсказывает, что клетки стебля альтруистичны по отношению к споровым клеткам, которые являются их родственными, в то время как объяснение прямого отбора состоит в том, что клетки стебля просто проигрывают в конкуренции. Чтобы проверить это, исследователи изучили гены, экспрессируемые на стадиях до стебля и до споры. Они обнаружили, что предсказания родственного отбора подтвердились.
«Вместе эти два эксперимента демонстрируют, что в природе клетки стебля действительно являются альтруистами, которые жертвуют своей жизнью ради родственников», - сказал Страссманн, отметив, что более ранние исследования показали, что дикие плодовые тела в значительной степени клональны.«Но это не отменяет того факта, что, когда в плодовом теле есть неродственные растения, включаются гены, находящиеся под конкурирующим давлением отбора.
"Это прямо как "Алиса в стране чудес", которая обнаружила, что ей нужно постоянно бегать, чтобы просто оставаться на одном месте", - сказала она.
Это исследование использует молекулярные сигнатуры эволюции способами, которые, вероятно, окажутся полезными в других спорах о микробных социальных взаимодействиях, говорят авторы.
«Все, что нужно, - это вопрос, целевой набор генов, который, как предполагается, находится под определенным типом отбора, а затем мера генетической подписи этого отбора», - сказал Квеллер. «Для этой конкретной системы это подтверждает лабораторную работу, которая велась в течение десятилетий, и это преимущество может быть получено и для других систем».