Рис. 1. Halichondria panicea — одна из двух губок Белого моря, у которых de novo собраны и проаннотированы дыхательные белки (то есть определено местоположение кодирующих их генов и что эти гены делают). Так постепенно, крошечными шажками ученые реконструируют начальные этапы многоклеточной жизни. Фото с сайта marlin.ac.u
Российские ученые, экспериментируя с реагрегацией у губок, получили профили экспрессии белков в процессе самосборки целой губки из ее отдельных клеток. Собрав de novo геномы двух видов морских губок, они выяснили, что изменения в профилях экспрессии при самосборке касаются, среди прочего, метаболизма железа в клетках. А эта часть метаболизма, как известно, сигнализирует об изменениях в дыхательных процессах клетки. Показательным примером является синтез нейроглобина, который связывается с кислородом даже активнее гемоглобина. Нейроглобин был, по-видимому, рекрутирован в дыхательный комплекс губок на ранних этапах их эволюции, благодаря чему стало возможно построение многоклеточного тела в условиях низкого содержания кислорода. Эта работа не только добавляет информации о ранних этапах становления многоклеточности, но и пополняет копилку сведений о геномах губок, о которых пока известно очень мало.
Российские биохимики поставили интересный эксперимент на губках, позволяющий понять молекулярную базу преображения одноклеточного мира в многоклеточный. Конечно, проблему становления многоклеточных можно рассматривать с разных сторон — с позиций молекулярных реконструкций, с позиций ископаемой летописи, эволюции биохимических инструментов многоклеточности (молекул адгезивного комплекса), экологических триггеров и т. д. Эксперимент замечателен тем, что биологи напрямую исследовали молекулярные механизмы сборки многоклеточного организма из одноклеточной основы. Известно, что если губку механически разделить на отдельные клетки, то она через некоторое время снова соберется в многоклеточный организм. И тогда можно посмотреть, какие факторы включаются при восстановлении многоклеточной формы.
Нужно отметить, что сведений в отношении метаболизма губок плачевно мало, поэтому для беломорских губок — скелетных Halichondria panicea (рис. 1) и бесскелетных Halisarca dujardini — пришлось для начала провести черновую сборку генома Halisarca dujardini и de novo аннотировать белки (см. De novo transcriptome assembly и Genome annotation). А после этого получать и анализировать транскриптомы на разных стадиях реагрегации губок. Весь эксперимент был задуман и выполнен в лаборатории биохимии процессов онтогенеза Института биологии развития им. Н. К. Кольцова (ИБР РАН) под руководством Юлии Люпиной.
Итак, материал собран на ББС, отвезен в лабораторию в ИБР, там часть его сохранили в морозильнике, часть поместили в морские аквариумы с подходящими условиями, а специально подготовленные препараты ядер из клеток губок отправили в Казанский университет для прочтения геномов губок. В лабораторных условиях губок Halichondria dujardini растирали до суспензии и пропускали через клеточные фильтры, чтобы не допустить попадания клеточных сгустков в одноклеточную массу. Анализировать транскриптомы (уровень экспрессии генов) и готовить препараты для определения содержания белков из суспензии нужно было немедленно, потому что губки уже через час начинали собираться в агрегаты (как на этом видео). А через сутки в чашках Петри уже находились не отдельные клетки, а множество примморфов (мелких губок с положенными им морфологическими признаками и дифференцировкой клеток). И тогда получали транскриптомы этих образований (рис. 2).
Рис. 2. Исходный материал H. dujardini с Белого моря (A–C), F — растертая губка, G — однодневные агрегаты. Длина масштабных отрезков (F и G) 10 мкм. Фото из обсуждаемой статьи в PLoS ONE
В транскриптомах обоих видов губок нашелся комплекс белков, связанных с метаболизмом железа. Почему исследователей интересовала эта часть метаболизма? В частности, из-за того, что именно с его повышением на докембрийской планете связывают становление и диверсификацию (разнообразие) многоклеточной жизни. Важно, что в комплексе, обслуживающем и синтез, и метаболизм железосодержащих дыхательных ферментов, выявились гемопротеины нейроглобин и андроглобин (Androglobin). У нейроглобина очень высокое, выше, чем у гемоглобина, сродство к кислороду, и он особенно активен в нейронах нервной системы позвоночных и беспозвоночных животных. Предполагается, что нейроглобин снабжает кислородом нервные клетки, чувствительные к его дефициту, и что он был исходным глобиновым белком у многоклеточных животных, а последующее разнообразие глобинов сложилось после дупликации гена нейроглобина (см. C. Lechauve et al., 2013. Neuroglobins, Pivotal Proteins Associated with Emerging Neural Systems and Precursors of Metazoan Globin Diversity).
Когда сравнили транскриптомы исходных губок, растертых клеток и новообразованных клеточных агрегатов, то оказалось, что нейроглобин начинает активно экспрессироваться на стадии сборки, тогда как у одиночных клеток его экспрессия понижена (рис. 3). Кроме нейроглобина начинают активно синтезироваться некоторые другие белки, задействованные в синтезе дыхательных ферментов, в частности ферритин (FTH1 на рис. 3). Этот белок служит депо для катионов железа, которые по первому метаболическому требованию отдаются на построение гема и поступают в нейроглобин.
Рис. 3. Схема эксперимента и суммарный результат анализа транскриптомов растертых клеток губок и их клеточных агрегатов. Авторы обращают внимание на экспрессию нейроглобина (NGB), достоверно пониженную у одиночных клеток и повышенную при сборке целых губок, и на такую же противофазную экспрессию ферритина FTH1. Оба белка связаны с клеточным дыханием и, вероятно, с морфогенезом. Рисунок из обсуждаемой статьи в PLoS ONE
Также интересно, что в транскриптомах нашелся специальный белок, регулирующий метаболизм железа (Iron regulatory protein, IRP). В отличие от других многоклеточных организмов, у губок он только один, но зато при образовании клеточных агрегатов его экспрессия утраивается. Кроме того, в клеточных агрегатах замечена повышенная плотность митохондрий, что, очевидно, связано с необходимостью увеличить выработку энергии при морфогенезе (рис. 4).
Рис. 4. Плотность митохондрий у одиночных клеток, клеточных агрегатов по сравнению с исходными тканями. Она оценивалась по интенсивности флюоресценции митохондрий (A–D), окрашенных специфическим красителем (MitoTracker Green kit), и оказалась достоверно выше в агрегатах, чем в исходных тканях (E). Рис. из обсуждаемой статьи в PLoS ONE
Всё это вместе позволяет представить (естественно, с известной долей осторожности), как в позднем докембрии губки перешли к многоклеточности. В тех, еще низкокислородных, условиях требовался как можно более эффективный переносчик кислорода в клетках, и таким переносчиком стал нейроглобин. Нейроглобин уже, по-видимому, имелся у хоанофлагеллят, предков губок. А губки рекрутировали его для построения каскадов дыхательных процессов. Это позволило губкам начать многоклеточную эволюцию одними из первых. Вместе с нейроглобином началось совершенствование метаболической системы дыхательных ферментов — с этим связана и дупликация гена нейроглобина, и появление новых вариантов регуляторов железа, а с ними и многое другое. Как и в других случаях, в обслуживании дыхания у многоклеточных нашлись и консервативные гены, очень схожие у всех животных, и очень пластичные, то есть сильно изменившиеся в ряду от губок до позвоночных и человека.
Данная работа видится весьма перспективной для реконструкции молекулярных событий появления многоклеточной жизни, а также для изучения эволюции дыхания у многоклеточных.
Источник: elementy.ru
