06.12.2013

Одиночные клетки переходят к коллективной жизни случайно, но отказываются от нее закономерно

Бактериальные клетки обладают внутренними ресурсами, определяющими, быть ли клетке одиночкой или жить в коллективе. Механизм, переключающий один образ жизни на другой, исключительно прост: в нем задействованы всего три гена. Но этот механизм обеспечивает слаженный (или, по-другому, модульный) переход из одного состояния в другое. Без этого невозможно было бы поддерживать сцепленные ансамбли клеток сколько-нибудь продолжительное время. Авторы работы считают, что этот механизм мог выполнять роль «тренажера многоклеточности».

Перед нами статья с провокационным названием «Память и согласованное принятие решения о будущем клеток». В действительности специалисты c кафедры молекулярной и клеточной биологии Гарвардского университета и кафедры системной биологии Гарвардской медицинской школы обсуждали, как клетка переходит от жизни одиночки к слаженной жизни в многоклеточном коллективе. Что заставляет клетку переключаться с одного образа жизни на другой, меняя свою судьбу? Внешние условия или присущие самой клетке внутренние свойства?

Этот вопрос с практических позиций важен, так как раскрывает базовые принципы образования бактериальных биопленок (рис. 1) — этой вездесущей формы микробиальной жизни. С другой стороны, авторы рассуждают и об академических вопросах — о самых ранних предпосылках возникновения многоклеточности. Если переход к сцепленному состоянию и обратно стохастичен, то никаких биопленок не получится: конгломераты клеток окажутся недолговечными и неопределенного размера. Значит, этот переход регулируется внешними и внутренними условиями клеточной среды.

Перед гарвардскими специалистами стояла непростая задача — отделить внешнюю регуляцию от собственно клеточной и рассмотреть их по отдельности. Чтобы это выполнить, они сконструировали необычную установку, в которой влияние внешних условий было сведено к минимуму, равно как и влияние клеток друг на друга.

Эта установка представляла собой кювету с каналами. Каждый канал состоял из центральной, относительно глубокой бороздки, шириной и глубиной в одну клетку, и более мелких боковых протоков, окружающих основную бороздку и сообщающихся с ней. В центральной бороздке помещались клетки, их омывал медленно текущий по боковым протокам культуральный раствор. Таким образом, среда вокруг клеток постоянно обновлялась, все метаболиты, выделяемые клетками во внешнюю среду, удалялись текущим раствором. В центральных бороздках клетки росли и делились; если клеток в центральной бороздке становилось слишком много (больше, чем длина бороздки), то «лишние» клетки просто выходили из бороздок в кювету.

За судьбой каждой клетки в кювете можно было проследить. Из многих разнородных показателей клеточной судьбы авторы работы выбрали одиночность или коллективность. Подвижные одиночные клетки противопоставлялись неподвижным сцепленным. В одиночных подвижных клетках выделялся белок флагеллин; если на него ставили специальную зеленую метку, то было хорошо видно, что клетка является подвижной одиночкой. Неподвижные коллективисты флагеллина не выделяют, зато у них экспрессируется другой белок (матрикс), и его покрасили красной меткой. Так что в бороздках кюветы в соответствии с выбранной судьбой росли и делились красные коллективисты и зеленые одиночки. Если клетка меняла образ жизни, в ряду клеток одного цвета появлялось поколение другого цвета (рис. 2).

Переход от одного образа жизни к другому регулируется за счет внутренних, а не внешних механизмов. Известно, что в этой регуляции задействованы всего три гена: SlrR, SinR и SinI. SinR обеспечивает подвижность клетке и тормозит SlrR, SlrR, в свою очередь, организует производство экзополимеров, обеспечивающих сцепление клеток, и тормозит SinR. Иными словами, SlrR и SinR образуют петлю обратной связи (рис. 3) и взаимно регулируют друг друга. SinI, включившись в это взаимное противостояние, действует в пользу коллективистов, ингибируя дополнительно SinR. Поэтому судьба клетки — одиночная или коллективная — зависит от количества этих трех регуляторов.

Если процесс перехода стохастичен, то есть количество этих регуляторов зависит от случайного колебания клеточных процессов, то число поколений в одном состоянии до перехода в другое состояние будет распределено по экспоненте (как период полураспада). Оказалось, что переход из подвижного состояния в сцепленное действительно случаен, а вот обратно — от сцепленного к подвижному — существенно сложнее (рис. 4). Время, отведенное на жизнь в коллективе, оказалось существенно короче, чем время одиночной жизни. В среднем клетки поддерживают сцепленное состояние в течение 8 генераций (продолжительность жизни клетки между двумя делениями около 27 минут), а потом все клетки в относительно короткое время распадаются, можно сказать — дружно прощаются с соседями.

Таким образом, один из переходов — от подвижного к неподвижному — стохастичен, то есть зависит от случайных колебаний концентраций регуляторов, зато второй обладает модульностью — то есть слаженным поведением клеток, и памятью — то есть время жизни в этом состоянии предопределено, последующее состояние зависит от предшествующих событий.

Почему переходы из одного состояния в другое и обратно столь несимметричны? Гарвардская команда ответила на этот вопрос: всё дело оказалось в пульсации регулятора SinI. Распределение во времени этих пульсов случайно, поэтому случаен и переход к сцепленному состоянию. А вот обратный переход зависит от каких-то веществ, которые начинают экспрессироваться в результате этого пульса. Быстрое нарастание количества этих веществ, например белка матрикса (того, что красили в красный цвет), приводит к образованию цепочки. Время их синтеза (а значит, их количество), так или иначе, определено. После прекращения синтеза их концентрация постепенно падает, ген SinR снова начинает работу и клетки переходят в подвижную фазу.

Получается, что время в сцепленном состоянии предопределено количеством «клея», выделяемого во время пульса SinI; как только его концентрация разбавляется ниже определенного значения или около того, клетки хором теряют связь друг с другом, начинается синтез флагеллина. Память процессу обеспечивает ограниченность количества этого вещества, а скорость его разбавления — относительно строгую продолжительность неподвижной фазы; существование предельно возможной концентрации, которая способна удержать клетки вместе, обеспечивает слаженность всему процессу перехода.

Таким образом, даже в отсутствии внешних стимулов клетки могут переходить от одного состояния в другое все вместе. Механизм, ответственный за слаженность «решения» клеток, исключительно прост. В нем задействованы два гена, взаимно регулирующие друг друга, и третье вещество, которое синтезируется короткими пульсами. Авторы работы выдвигают предположение, что такой механизм мог быть предтечей перехода к многоклеточному существованию биопленок и клеточных конгломератов, на нем выстроилась регуляция устойчивых многоклеточных коллективов.

Вполне возможно, что исследователи столкнулись с неким общим принципом организации модульных процессов. Иллюстрируя такую возможность, Джеймс Лок, прокомментировавший эту работу, заметил, что примерно те же закономерности обнаружили зоологи, наблюдавшие за коровами. Коровы в стоячем положении (подвижном) проводят случайное количество времени, но стоит им лечь (перейти к неподвижной фазе существования), как судьба их предрешена — лежачее время определено относительно точно. Это исследование с коровами получило Шнобелевскую премию 2013 года. Ну что же, в каждой шутке есть доля правды.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru