Один из больших эволюционных вопросов в жизни заключается в том, как и почему одноклеточные организмы организовали себя, чтобы жить в группе, таким образом формируя многоклеточные формы жизни.
Wits Аспирант Джонатан Фезерстон из Лаборатории эволюции сложности Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге ответил по крайней мере частично на этот вопрос, расшифровав геномную последовательность одного из простейших из всех многоклеточных организмов. - четырехклеточная водоросль Tetrabaena socialis. Его исследование было опубликовано в Molecular Biology and Evolution..
Tetrabaena является членом линии зеленых водорослей, известной как линия volvocine. Линия является модельной линией для понимания того, как развивалась многоклеточность. При изучении генома этой простой водоросли ряд генетических механизмов, контролирующих деление клеток, был связан с происхождением многоклеточности.
Тщательно собирая воедино всю последовательность генома водоросли в течение более двух лет с использованием различных методологий секвенирования генома, Фезерстон определил убиквитиновый протеасомный путь (UPP) как процесс, который играет ключевую роль в эволюция многоклеточности. Этот путь участвует в регуляции многих видов активности в клетках, нацеливая белки на разрушение, тем самым поддерживая правильный баланс белков в клетках.
«UPP был вовлечен во многие виды рака у человека и даже в качестве потенциальной мишени для лечения рака. Из этого исследования видно, что изменения в этом пути были важны для того, как многоклеточность эволюционировала у этих водорослей», - говорит Фезерстон.
UPP представляет собой сложный путь, который контролирует клеточную концентрацию ключевых белков, управляющих клеточным делением, и играет роль во многих клеточных функциях. Исследование Фезерстона предполагает, что UPP может играть роль регулирования количества делений, которым подвергается каждый вид вольвоцина, посредством деградации ключевых молекул, которые контролируют деление клеток.
Одной из самых ранних эволюционных адаптаций у вольвоцинов был измененный клеточный цикл. Многоклеточные вольвоцины развили генетическую программу для контроля количества делений во время размножения, где каждый вид имеет генетически запрограммированное максимальное количество делений. Некоторые будут делится только дважды во время размножения, в то время как другие могут делиться 12 раз», - говорит он. «Обычно люди много смотрят на то, сколько ключевой регуляторной молекулы вырабатывается клеткой, но здесь интерес представляет путь, который разрушает эти молекулы. Это своего рода другая сторона того, как регулируются клеточные процессы».
Физерстон сравнил последовательность генома многоклеточных водорослей с их ближайшим одноклеточным родственником, чтобы установить генетические различия, связанные с эволюцией многоклеточности. Хотя в целом одноклеточные и многоклеточные водоросли очень похожи, он определил небольшой набор семейств генов (131), которые были получены при происхождении многоклеточности.
"Мы взяли некоторые тенденции из этого набора семейств. Многие из них имеют функции развития, что указывает на то, что они, вероятно, важны для эволюции многоклеточности", - говорит он.
Работа Фезерстона показывает, что эволюция многоклеточности связана с генетическим развитием, специфичным для данной линии.
Многоклеточность эволюционировала по крайней мере 25 раз независимо друг от друга, но, по всей вероятности, хотя некоторые общие биологические механизмы, такие как слипание клеток или модифицированные клеточные циклы, могут быть общими, фактические гены, управляющие этим развитием, будут в основном уникальными для каждой родословной», - говорит он.«Почти все семейства, встречающиеся у других организмов, могут быть обнаружены в разнообразных одноклеточных организмах, что позволяет предположить, что гены, давшие начало многоклеточности, произошли от генов, которые уже присутствовали у одноклеточного предка, но, возможно, были продублированы, чтобы сформировать новые гены, которые теперь имеют новые функции».