Животные — от червей и губок до медуз и китов — состоят из тысяч или даже триллионов почти генетически идентичных клеток. В зависимости от вида, эти клетки формируют разные ткани и органы: кишечник, мышцы, органы чувств. Не у всех животных есть всё перечисленное, но у каждого есть одна ключевая ткань — зародышевая линия (герминативная), производящая сперматозоиды или яйцеклетки для продолжения рода.

Зародышевая линия (герминативная линия) — группа клеток, которые передают генетическую информацию потомству. В отличие от обычных клеток тела, они производят сперматозоиды и яйцеклетки, сохраняя и рекомбинируя ДНК для следующего поколения.

Ученые до конца не понимают, как возникла такая многоклеточность. Способность клеток склеиваться друг с другом, конечно, важна, но белки, отвечающие за это, появились еще у одноклеточных, задолго до животных.

Новое исследование Университета Чикаго проливает свет на ключевые изменения, которые позволили многоклеточным животным эволюционировать. Ученые проанализировали белки, закодированные в геномах животных и их ближайших родственников, и обнаружили, что у животных развился более сложный механизм деления клеток. Он не только обеспечивает правильное разделение, но и помогает формировать ткани и зародышевую линию.

Результаты опубликованы в издании Current Biology.

Эта работа показывает, что одним из первых шагов в эволюции животных стало появление зародышевой линии благодаря способности клеток оставаться соединенными после деления, — говорит Майкл Глотцер, профессор молекулярной генетики и автор исследования. — Три ключевых белка позволили создать и многоклеточность, и герминативную линию — две главные черты животных.

Как клетки решают, где делиться

Деление клетки (цитокинез) — процесс, при котором одна клетка разделяется на две. Многие участвующие в нем белки существуют миллиарды лет, задолго до появления первых животных.

Глотцер десятилетиями изучал, как животные клетки определяют место деления. У них есть структура — веретено деления, которое распределяет хромосомы и указывает, где клетка разделится. Ученый сосредоточился на трех белках — Kif23, Cyk4 и Ect2, — которые связываются друг с другом и веретеном, задавая линию деления. До этого подобные белки находили только у животных.

Два из них, Kif23 и Cyk4, образуют комплекс центральспиндлин, открытый командой Глотцера 20 лет назад. Он не только помогает правильно разделиться, но и создает мостик между будущими дочерними клетками.

Клетки тела (соматические) не передаются потомству, а вот зародышевые (герминативные) могут превращаться в любые клетки и создавать половые. При развитии сперматозоидов и яйцеклеток они «перемешивают» родительские хромосомы, увеличивая генетическое разнообразие. У большинства животных клетки зародышевой линии остаются соединенными мостиками, тогда как соматические полностью разделяются.

От одноклеточных к многоклеточным

Сравнив геномы разных животных, Глотцер обнаружил, что все три белка есть у всех ветвей животного мира. Искусственный интеллект AlphaFold, разработанный выпускником Чикагского университета Джоном Джампером, предсказал, как эти белки взаимодействуют, и оказалось, что их структура почти не менялась 800 миллионов лет.

Затем ученый нашел похожие белки у хоанофлагеллат — ближайших одноклеточных родственников животных. AlphaFold показал, что они тоже могут образовывать комплекс, напоминающий центральспиндлин, но без участков, связывающих Ect2. Интересно, что некоторые хоанофлагеллаты образуют колонии, не завершая деление.

До появления животных клетки делились и расходились. Но потом мутация в этом белковом комплексе позволила им оставаться соединенными, — объясняет Глотцер. — 25 лет назад мы нашли эти белки именно потому, что мутация нарушила их работу. Теперь выяснилось, что эволюция этого же участка помогла появиться всему животному миру. Это поразительно.

Практическое применение:

• Понимание механизмов деления клеток поможет в лечении рака (неконтролируемое деление — основа опухолей).
• Исследование герминативной линии важно для репродуктивной медицины, включая лечение бесплодия.
• Может пролить свет на эволюцию сложных организмов, включая человека.

Отметим, что исследование опирается на предсказания AlphaFold, которые, хоть и точны, требуют экспериментального подтверждения. Кроме того, анализ ограничен доступными геномами — некоторые древние ветви животных изучены плохо.

Ранее ученые заявили, что жизненные процессы можно повернуть назад.