Как бактерии стали многоклеточными: система разделения ДНК эволюционировала во внутриклеточный каркас

Биологическая эволюция редко создает принципиально новые механизмы с нуля. В подавляющем большинстве случаев природа модифицирует уже существующие структуры, адаптируя их под совершенно новые задачи. Этот процесс, известный в эволюционной биологии как экзаптация, позволяет организмам совершать крупные скачки в развитии. Ярким примером такого скачка является переход микроорганизмов от одиночного существования к многоклеточности.

Чтобы несколько клеток могли физически объединиться в единую функционирующую структуру, им требуется жесткий и строго контролируемый внутренний каркас — цитоскелет. Группа исследователей из Института науки и технологий Австрии (ISTA) изучила, как многоклеточные цианобактерии приобрели такой каркас. Результаты их работы показывают: бактерии не изобретали цитоскелет заново, а изменили функцию белковой системы, которая изначально предназначалась исключительно для распределения молекул ДНК.

Исходная система: автономное разделение плазмид

Внутри многих бактерий, помимо основной хромосомы, присутствуют плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК. Они часто несут полезные гены (например, гены устойчивости к антибиотикам) и способны копироваться независимо от деления самой клетки.

Однако плазмиде необходимо гарантировать, что при делении бактерии ее копии попадут в обе дочерние клетки. Для этого некоторые плазмиды используют собственный механизм сегрегации (разделения), состоящий из двух белков — ParM и ParR.

Белок ParM обладает способностью к полимеризации. При наличии клеточной энергии он соединяется с аналогичными молекулами, выстраивая длинную прямую нить. Белок ParR выполняет функцию адаптера: он связывается со специфическим участком ДНК самой плазмиды, а другой своей частью прикрепляется к концу растущей нити ParM. По мере того как полимерная нить удлиняется в центре клетки, она физически раздвигает две копии плазмиды к противоположным полюсам бактерии. Это строго механический процесс, изолированный от остальных структур клетки.

Неожиданные результаты генетического удаления

Считалось, что система ParMR имеет лишь одну узкую функцию. Однако при секвенировании геномов сложных нитчатых цианобактерий, в частности модельного организма Anabaena, ученые обнаружили гены этой системы не на плазмидах, а прямо в основной хромосоме бактерии.

Поскольку Anabaena содержит несколько копий собственной хромосомы, биологи выдвинули наиболее логичную гипотезу: бактерия интегрировала систему ParMR для управления распределением собственного генетического материала при делении.

Для проверки этой теории исследователи применили стандартный генетический метод — они создали мутантную линию цианобактерий, из генома которых были полностью удалены гены этих белков. Результат эксперимента оказался неожиданным. Отсутствие белков никак не повлияло на процесс копирования и распределения хромосом — ДНК делилась без малейших нарушений.

Вместо этого радикально изменилась форма самих клеток. В норме клетки Anabaena имеют цилиндрическую, слегка бочкообразную форму, что позволяет им выстраиваться в ровные, прочные многоклеточные нити. Мутантные клетки утратили эту геометрию. Они неконтролируемо увеличились в размерах и приняли сферическую форму, а процесс нормального клеточного деления оказался нарушен. Белки, которые должны были перемещать ДНК, на самом деле контролировали архитектуру клеточной стенки. Систему пришлось переименовать в CorMR, где префикс «Cor» обозначает ее кортикальное (прилегающее к оболочке) расположение.

Механика трансформации: от связи с ДНК к интеграции в мембрану

Дальнейший структурный анализ объяснил, как именно система поменяла свою функцию на молекулярном уровне. Основную роль в этой трансформации сыграла модификация белка-адаптера.

Эволюционный потомок оригинального белка, получивший название CorR, полностью утратил ту часть своей структуры, которая отвечала за связывание с нуклеиновыми кислотами. Вместо этого на конце его молекулы образовалась так называемая амфипатическая альфа-спираль. Это специфическая химическая структура, в которой одна сторона состоит из гидрофильных (притягивающих воду) аминокислот, а другая — из гидрофобных (отталкивающих воду). Подобное строение позволяет альфа-спирали напрямую встраиваться в липидный бислой клеточной мембраны.

Таким образом, белок CorR стал мембранным фиксатором. Он плотно закрепляется на внутренней поверхности клеточной оболочки и начинает привлекать к себе молекулы белка CorM.

Сам белок CorM сохранил свою способность к полимеризации. Соединяясь с мембранными фиксаторами, он формирует внутри клетки сеть длинных нитей, которые располагаются перпендикулярно продольной оси бактерии. Используя криоэлектронную микроскопию, ученые установили, что эти полимеры собираются в антипараллельные двойные нити. Они обладают свойством динамической нестабильности: полимеры могут непрерывно расти, удлиняясь за счет присоединения новых блоков, а затем стремительно распадаться. Именно эта динамичная, но прочная сеть принимает на себя внутреннее давление клетки (тургор) и задает вектор ее роста, не позволяя ей превратиться в шар.

Пространственная регуляция и конкуренция белков

Наличие жесткого клеточного каркаса создает новую биологическую проблему. Чтобы клетка могла нормально расти и делиться пополам, полимерные нити не должны блокировать зоны формирования разделительной перегородки (септы) и полюса бактерии. Цитоскелетом необходимо пространственно управлять.

В клетках бактерий существует система Min, которая отвечает за определение центра клетки. Белки этой системы непрерывно перемещаются от одного полюса к другому, создавая градиент концентрации, который не позволяет механизмам деления сработать в неправильном месте. Главным подавляющим фактором в этой системе выступает белок MinC.

Исследуя многоклеточные цианобактерии, биологи обнаружили, что их белок MinC значительно длиннее, чем у родственных одноклеточных видов. У него появился дополнительный неструктурированный участок, который заканчивается короткой спиралью. Биохимические эксперименты и компьютерное моделирование показали, что эта спираль идеально совпадает по форме с местом связывания на полимерной нити CorM.

Возникает прямая молекулярная конкуренция. Дополнительный сегмент белка MinC претендует на тот же самый участок полимера, что и мембранный фиксатор CorR. Когда MinC присоединяется к нити цитоскелета, он физически отсоединяет ее от мембраны и инициирует ее быстрый распад.

Поскольку белки MinC постоянно циркулируют между полюсами клетки, они выполняют функцию пространственного ограничителя. Они локально разрушают жесткий каркас на торцах бактерии и в месте будущего деления. Благодаря этому процессу структурные нити сохраняются только на боковых стенках, позволяя клетке удлиняться в заданном направлении и беспрепятственно формировать многоклеточные цепочки.

Значение для эволюционной биологии

Исследование системы CorMR демонстрирует, что переход к сложным формам организации жизни не обязательно требует появления уникальных генов. Для поддержания многоклеточной структуры предкам цианобактерий потребовался внутренний каркас. Этот каркас был получен путем интеграции независимого генетического модуля, который изначально обслуживал автономные плазмиды.

Всего несколько точечных изменений — замена домена, связывающего ДНК, на мембранную спираль и добавление регулирующего участка к уже существующему белку клеточного цикла — полностью изменили биологическую роль целой системы. Этот механизм прекрасно иллюстрирует высокую структурную пластичность белков и показывает, как рекомбинация простых элементов приводит к появлению фундаментально новых свойств живых организмов.

Источник: biorxiv