Эволюция уменьшает размеры клеток, не замедляя их рост: открытие ученых

Листайте вправо, чтобы увидеть больше изображений

Международная группа исследователей во главе с Марко Фумазони (Marco Fumasoni) из Института молекулярной медицины Гюльбелкяна (GIMM) в Лиссабоне пришла к выводу, что скорость роста клеток может изменяться независимо от их размеров. Это открытие помогает объяснить, почему в процессе эволюции некоторые организмы обзаводятся более мелкими клетками, не теряя способности быстро расти и размножаться. Авторы работы проанализировали данные о росте клеток и показали, что различия между отдельными клетками нельзя свести только к их размеру или особенностям деления. Работа опубликована в сборнике Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

В процессе четырехмесячных опытов с культурой дрожжей Saccharomyces cerevisiae ученые обнаружили, что значительную роль играет стохастичность — случайные колебания скорости ауксицитоза (увеличения объема, массы и размеров клеток). Даже клетки одного типа и одинакового размера способны расти с разной скоростью. Это означает, что эволюция получает дополнительный механизм для отбора: естественный отбор может воздействовать не только на размер клетки, но и на внутренние процессы, определяющие темпы ее роста.

Экспериментальная эволюция клеточной миниатюризации. Схематические изображения (А) выбора размера и приспособленности и (B) режима эволюции. Популяция предков-мутаторов дрожжей Saccharomyces cerevisiae гаплоидного pol3-L523D была отсортирована на три небольшие субпопуляции и подвергнута ежедневному отбору по размеру. Сто тысяч клеток с наименьшими (7% от среднего) размерами отделяли и культивировали в 10 мл обогащенной среды. Популяции последовательно выращивали и сортировали в течение 116 циклов (около 1500 поколений), образцы отбирали каждые 24 часа. (С) Распределение объема клеток в культурах с экспоненциальной фазой роста. Гладкие кривые плотности представляют собой оценки плотности зародышей, сопоставленные с гистограммами объемов клеток, измеренных с помощью счетчика Coulter. Для каждого штамма были рассчитаны значения плотности для каждой реплики и усреднены для получения кривой средней плотности. Заштрихованные области представляют стандартное отклонение для всех потомков. (D) Модальный объем клеток, полученный из измерений культур с экспоненциальной фазой в разных поколениях. (E) Световые микрофотографии предков и эволюционировавших популяций мелких клеток на разных стадиях клеточного цикла (G1, S, G2/M).

Случайность как закономерный двигатель эволюции

Авторы отмечают, что клеточная изменчивость возникает не только из-за различий в наследственности или влияния внешней среды. Существенную часть разнообразия создают внутренние биологические процессы, работающие с элементом случайности. Именно они формируют разброс скоростей роста между отдельными клетками.

Полученные результаты важны для понимания эволюции многоклеточных организмов, развития тканей и даже опухолевого роста. Если скорость роста может меняться независимо от размеров клетки, то организмы получают больше вариантов для адаптации к меняющимся условиям среды.

Традиционно считалось, что размер клетки тесно связан с ее физиологией и скоростью роста. Однако новая работа показывает, что эта связь далеко не всегда жесткая. Подобное разделение характеристик способно влиять на эволюционные траектории целых групп организмов и объяснять, почему у разных видов наблюдаются столь разнообразные клеточные стратегии.

Физиология миниатюризации клеток. (А) Профили содержания ДНК в популяциях предков и репрезентативных эволюционировавших популяциях (S1) во время экспоненциального роста в течение 1500 поколений, измеренные методом проточной цитометрии. (B) Процент удвоения времени, проведенного в фазах G1 и S/G2/M популяцией S1 в течение 1500 поколений. (C) Абсолютное время, затраченное на каждую фазу клеточного цикла, рассчитанное как доля времени удвоения, отведенного на каждую фазу. (D) Просвечивающая электронная микрофотография эволюционировавших клеток S. cerevisiae во время экспоненциального роста в YPD. (E) Модальные измерения объема клеток в культурах с экспоненциальной фазой роста, выращенных в глюкозе или глицерине. (F) Распределение объема клеток культур экспоненциальной фазы, выращенных в глюкозе или глицерине в качестве источника углерода..

Ранее эксперименты с бактериями Escherichia coli показали, что в ходе длительной эволюции клетки могут становиться крупнее и одновременно расти быстрее, хотя классические теории предсказывали обратное. Это стало одним из первых свидетельств того, что размер клетки и эффективность роста могут эволюционировать независимо.

А еще недавно ученые экспериментально доказали, что «безмозглые» бактерии хорошо учатся и все помнят.