Исследование финских ученых показало, что снижение экспрессии белка теплового шока 90 (Hsp90) через дестабилизацию циклинзависимой киназы Cdc28 приводит к задержке митоза и длительному поляризованному росту клеток. По мнению исследователей, такая модуляция фолдинга белков могла лежать в основе повышенной биофизической прочности при появлении многоклеточных организмов. Результаты исследования опубликованы в Science Advances.

Об эволюционной динамике и молекулярных механизмах, посредством которых простые группы клеток эволюционируют в многоклеточные организмы, известно не так много. Считается, что переход к многоклеточности может ускорить период быстрой эволюции, поскольку клетки адаптируются к новым организменным и экологическим условиям. Современные исследователи предполагают, что решающую роль в переходе к многоклеточности могут играть эпигенетические механизмы, поскольку они часто способны генерировать наследуемое фенотипическое разнообразие более быстрыми темпами, чем простые мутации. Также участвовать в адаптации могут и динамические взаимопревращающиеся состояния сворачивания и сборки белков. Однако эти механизмы изучены недостаточно.

Недавние исследования показали, что удлинение клеток сыграло центральную роль в эволюции новых многоклеточных признаков, позволяя ветвям клеток переплетаться друг с другом и, таким образом, становиться на порядки более механически прочными. Предполагается, что ведущую роль в этом удлинении сыграла модуляция фолдинга белков, которая привела к морфологическому изменению цитоскелета клеток.

Эту гипотезу выдвинула группа ученых под руководством Юхи Саарикангаса (Juha Saarikangas) из Университета Хельсинки, они изучили молекулярные механизмы, лежащие в основе клеточного удлинения и макроскопической многоклеточности. Исследователи проводили эволюционные эксперименты на штаммах Saccharomyces cerevisiae, у которых отсутствовала открытая рамка считывания ACE2. В течение первых 600 раундов отбора по размеру (~ 3000 поколений) в аэробных, миксотрофных и анаэробных популяциях дрожжей только анаэробные линии развили макроскопический размер. Эта многоклеточная адаптация была результатом морфологической трансформации клеток из овальных в палочковидные, что привело к значительному увеличению соотношения размеров клеток (отношение длины к ширине). Удлиненные клетки образовали длинные ветви, которые взаимно переплетались, что приводило к появлению гораздо более прочных многоклеточных групп.

Чтобы идентифицировать молекулярные изменения, лежащие в основе морфологической трансформации от клеток-предков овальной формы к палочковидным клеткам, ученые исследовали транскриптомы анаэробной линии, у которой выросли самые большие скопления. Анализ показал ~540 генов с пониженной регуляцией и ~460 генов с повышенной регуляцией (Р < 0,05). Дальнейшее изучение показало, что в исследуемых клетках, снижена регуляция нескольких белков-шаперонов — Hsp90, HSC82 и HSP82. Hsp90 был выбран в качестве белка особого интереса, поскольку он участвует в заключительных стадиях сворачивания специализированных белков, которые включают факторы транскрипции и киназы, и, таким образом, контролирует их активность посттрансляционно. Так, он может модифицировать взаимосвязь генотип-фенотип, изменяя активность ключевых путей развития. Секвенирования РНК с помощью количественной полимеразной цепной реакции показало, что сниженная регуляция Hsp90 опосредована сниженной активностью фактора транскрипции Hsf1.

Дальнейшие эксперименты с ингибированием экспрессии Hsp90 показали, что этот белок-шаперон в значительной степени ответственен за морфологию дрожжевых клеток и их удлинение. И по мнению ученых, сниженную регуляцию Hsp90 можно считать адаптивным признаком многоклеточных, из-за которого увеличивается соотношение сторон клеток и, следовательно, размер и приспособленность многоклеточных. Причем такая регуляция Hsp90 происходила конвергентно, способствуя эволюции макроскопической многоклеточности.

Также выяснилось, что сниженная регуляция Hsp90 влияет на каталитическую субъединицу циклинзависимой киназы дрожжей Cdc28, которая действует как главный регулятор митотического клеточного цикла и выступает мишенью для Hsp90. Ось Hsp90-Cdc28 реализуется путем задержки кинетики клеточного цикла, позволяя клеткам подвергаться длительному поляризованному росту в процессе митоза, что приводит к их удлинению.

По словам ученых, это открытие показывает, как эпигенетические изменения в древних клеточных системах могли способствовать крупным эволюционным переходам. В дальнейшем необходимо изучение совместной эволюции генетических и эпигенетических механизмов, лежащих в основе происхождения и поддержания новых многоклеточных признаков.

Узнать о новых тенденциях в антропологии, которые приносят открытия археологов и палеоантропологов, можно в серии книг Александра Маркова и Елены Наймарк «Эволюция человека» (издательство «Corpus»).