Вчені щойно використали гени мікроорганізму та створили мишу

 

Вчені щойно використали гени мікроорганізму та створили мишу © Гао Я та Елвін Кін Шінг Лі/Центр порівняльних медичних досліджень

Приблизно 700 мільйонів років тому царство тварин почало відгалужуватися від одноклітинних організмів. Тепер вчені знайшли молекулярні інструменти, які могли б сприяти цьому стрибку, і успішно випробували їх, створивши мишу з нашого одноклітинного предка.

Вчені вперше створили мишачі стовбурові клітини з генів одноклітинної форми життя. Стовбурові клітини є особливими, оскільки вони можуть виробляти більше, а також перетворюватися в інші клітини з іншими функціями. Команда використала ці нещодавно згенеровані стовбурові клітини, щоб допомогти сформувати живу, дихаючу мишу з ембріона, що розвивається, згідно з опублікованими висновками в msn.com.

Це відкриття було несподіваним, оскільки вчені вважали, що гени, які дозволяли стовбуровим клітинам ділитися та спеціалізуватися, зустрічаються лише у тварин, а не в одноклітинної групи протистів майже мільярд років тому.

«Набір молекулярних інструментів стовбурових клітин набагато старший, ніж ми думали раніше», — сказав Ральф Яух, автор дослідження та біолог зі стовбурових клітин Університету Гонконгу. «Ці молекулярні інструменти старші за самі стовбурові клітини тварин».

На додаток до вивчення того, як ми еволюціонували до багатоклітинності, сказав Яух, розуміння цієї природної еволюції може «створити кращі моделі стовбурових клітин», які можуть допомогти повернути хворобу або навіть старіння.

Рецепт стовбурових клітин тварин

Різниця між тваринами та протистами полягає не лише в кількості клітин. Протести, як правило, одноклітинні мікроскопічні організми, які не є тваринами, грибами чи рослинами, виконують усі функції всередині клітини. Але тварини є основними делегаторами: одні клітини призначені для виконання одного завдання, а інші відповідають за інші дії.

«Ми знаємо, що тварини, більшість із них мають стовбурові клітини, тому що це те, що вам потрібно», — сказав Алекс де Мендоза, автор дослідження з Лондонського університету королеви Марії. «Вам потрібні клітини, які можуть ділитися, але водночас давати початок іншим клітинам».

Саме Нобелівська премія з медицини 2012 року допомогла пролити світло на те, що потрібно для створення стовбурової клітини у тварини. Дослідник стовбурових клітин Шінья Яманака, який зробив це відкриття шістьма роками раніше, виявив, що дорослі клітини можна перепрограмувати в стовбурові шляхом введення чотирьох специфічних генів: Sox2, Pou5F1, Klf4 і Myc (відомих як фактори Яманаки).

Більшість людей припускали, що ці гени були унікальними для тваринного світу, оскільки здатність стовбурових клітин здавалася непотрібною в одноклітинному організмі. Приблизно десять років тому де Мендоза навіть шукав ці гени у протистів та подібних одноклітинних організмів під час свого докторського дослідження. На той час у нього було лише три секвеновані геноми для пошуку, але початкові аналізи не показали жодного з цих спеціальних генів стовбурових клітин.

Потім нещодавні дані виявили приголомшливе відкриття. У 2022 році де Мендоса та його колеги знову шукали геноми з більш доступними даними. Під час пошуку близько 30 послідовностей вони знайшли кілька, які мали версію цих факторів Яманака, які зустрічаються у тварин — належали до родин генів «Sox» і «Pou».

«Ми знайшли їх і подумали, що це дуже дивно», — сказав де Мендоса. «Ми не очікували, що вони там будуть».

Миша, створена з генів, старших за життя тварин

Команда виявила, що ці гени були знайдені у протиста розміром приблизно з частинку пилу, який називається хоанофлагелят — або «комірцевий» джгутик. Ці протисти є найближчими живими родичами тваринного світу, хоча вони можуть здатися не такими на перший погляд. Вони рухаються у воді за допомогою батога (або його джгутика), як мікроскопічний пуголовок, і зачерпують бактерії у свій кормовий нашийник.

Хоанофлагелляти можуть запропонувати розуміння еволюції та базової клітинної біології першого багатоклітинного організму, хоча вчені не зовсім впевнені, як виглядала ця перша багатоклітинна тварина.

Багатоклітинна колонія видів хоанофлагелятів, оточена меншими бактеріями-жертвами. © Марк Даєл і Деніел Дж.

Хоанофлагелляти схожі на клітинний тип губок, що змусило деяких вчених припустити, що губки могли бути першою багатоклітинною твариною. Однак останні дані свідчать про те, що це могло бути гребінчасте желе.

У дослідженні де Мендоза та його колеги шукали послідовності 22 видів хоанофлагеллят і «знайшли лише 2 з переконливими результатами». Команда хотіла перевірити, чи будуть ці нещодавно знайдені гени Sox ​​і Pou у хоанофлагеллят виконувати такі ж функції, як у тварин.

Те, що гени протистів працюватимуть так само, не було очевидним. У ссавців існує близько 20 генів Sox, з особливою варіацією під назвою Sox2, яка важлива для програмування стовбурових клітин ссавців. Але хоанофлагеллят Сокс передує всім 20 копіям ссавців, тому незрозуміло, що молекулярний механізм працюватиме подібним чином.

За допомогою серії експериментів Яух і докторант Я Гао ввели гени хоанофлагеллята в клітини миші. Зокрема, вони замінили ген Sox2 від миші на аналогічний ген, знайдений у хоанофлагеллятах, успішно перепрограмувавши клітини до стану стовбурових клітин. Щоб переконатися, що це працює, вони ввели перепрограмовані клітини в ембріон миші, що розвивається. Миша виросла, щоб мати фізичні характеристики свого оригінального ембріона, а також стовбурові клітини, отримані в лабораторії, які мали генетичні маркери, такі як темні очі та чорні плями хутра.

«Ми можемо поміняти фігури з істотами, які, здається, не мають до них нічого спільного. Потім раптом їх можна використовувати для створення речей, які ми вважаємо дуже складними та дуже важливими», — сказав де Мендоса.

Не всі експерименти у стилі Франкенштейна спрацювали в дослідженні. Команда також ввела ген Pou, знайдений у хоанофлагеллятах, у клітини миші, але він не індукував стовбурові клітини. Де Мендоза пояснив, що проблема полягає в тому, що одноклітинний ген Pou зв’язаний з ДНК іншим способом, ніж гени Pou інших тварин.

Експерименти, сказав Яух, показали, що Pou потребує більше еволюційних доопрацювань, перш ніж він досягне своєї поточної функції у сучасних тварин.

Щоб продовжити розслідування, команда вивчила, як виглядав наш спільний давній предок — можливо, тварин і хоанофлагеллятів. Колеги з Інституту наземної мікробіології Макса Планка використовували вдосконалені комп’ютерні алгоритми, щоб простежити молекулярне дерево життя, як молекулярна машина часу, до давно вимерлих предків. Вони виявили, що ці молекулярні ознаки білків Sox присутні в цих стародавніх послідовностях, хоча команда не створила з ними мишу. Це відкриття показало, що ця здатність є справді предковою і передувала еволюції самих тварин.

«Висновки цієї дуже елегантної роботи дуже захоплюючі, але не дивовижні», — сказала Сенді Дегнан, професор біології в Університеті Квінсленда, яка не брала участі в дослідженні. «Я вважаю, що одноклітинні організми повинні бути «майстром на всі руки», тому що одна клітина має задовольняти всі потреби, щоб залишатися живими».

Дослідження погоджується та додатково розширює власне припущення Дегнан та її колег про те, що перші клітини тварин могли переходити між кількома станами, подібно до сучасних стовбурових клітин. Вона сказала, що цілком логічно, що перші тваринні клітини — наш останній загальний тваринний предок — мали вбудовану гнучкість, яка могла допомогти їм справлятися з викликами зовнішнього середовища. Цю перевагу, ймовірно, більше сприятиме природний відбір, ніж клітинам, які залишаються у фіксованому стані.

Біолог-еволюціоніст Деніел Ріхтер, який не брав участі в дослідженні, сказав, що наші близькі тварини-родичі продовжують справляти на нас враження. Це дослідження разом з іншою пов’язаною недавньою роботою показує, що ми недооцінюємо те, на що був здатний наш останній спільний предок із хоанофлагеллятами.

«Це відкриття стирає межу між штучними визначеннями того, що означає бути «простим» і «складним», — сказав Ріхтер, дослідник з Інституту еволюційної біології в Барселоні.

Члени команди все ще ламають голову, щоб з’ясувати, чому хоанофлагеллят або наш давній предок мав таку генну здатність. Де Мендоза припустив, що, можливо, вони використовували його для регулювання основних функцій, таких як проліферація клітин, але багатоклітинні тварини перепрофілювали його для створення складних тіл.

«Еволюції не завжди потрібно винаходити», — сказав де Мендоза. «Зазвичай ви використовуєте все, що у вас є, а потім створюєте щось нове з переважно перероблених частин».