Конкурс «Био/Мол/Текст»-2023/2024

Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2023/2024.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Партнер номинации — компания «Хеликон»: — один из ведущих российских поставщиков продукции и услуг для молекулярно-биологических и клеточных лабораторий.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Липоксигеназа: маркер многоклеточности? 

Липоксигеназа знакома любому специалисту в области биомедицины как ключевой фермент выработки лейкотриенов и липоксинов — веществ липидной природы, участвующих в регуляции воспаления [1]. Но ее роль выходит далеко за эти рамки: она является универсальным ферментом межклеточной сигнализации у многоклеточных эукариот — связанного со стрессом жасмонатного пути у растений [2], [3], чувства кворума у грибов и даже биосинтеза феромонов у бурых и диатомовых водорослей! Во всех этих группах липоксигеназа запускает синтез оксилипинов — окисленных производных полиненасыщенных жирных кислот, которые, в свою очередь, выступают в качестве сигнальных соединений [4], [5]. Учитывая высокую вероятность того, что в этих столь разных группах эукариот межклеточная сигнализация возникла независимо, такое сходство вызывает вопрос: почему столь разные организмы используют одно и то же биохимическое решение?

Пока у нас нет полного ответа. Но в работе, опубликованной в 2020 году, мы с соавторами представили биоинформатическое исследование, демонстрирующее, что липоксигеназы могут быть связаны с многоклеточностью как у бактерий, так и у эукариот — даже в самых примитивных формах [6]. Мы обнаружили как статистическую, так и эволюционную связь липоксигеназ и многоклеточности. Подробно об этой работе мы рассказывали в статье на «Биомолекуле» «По следам оксилипинов: эволюция биохимического “эсперанто”» [5].

В обыденном понимании многоклеточность — это что-то большое, сложное, с органами и четко видимое невооруженным глазом. Но это только верхушка огромного айсберга, который из себя представляет многоклеточный мир. Как я ранее упоминал в заметке на портале «Элементы» [7], некоторые многоклеточные организмы, такие как слизевики (рис. 1) и миксобактерии, формируют свои временные «тела» из генетически различных свободноживущих клеток. Такой тип многоклеточности называется агрегативным. Организмы такого типа обычно очень небольшие и легко могут остаться незамеченными в опавшей листве или гниющем сене.

Другие многоклеточные организмы клональны, как и мы — это означает, что каждый такой организм происходит от одной-единственной клетки. Но некоторые из них существуют виде тонких филаментов (нитей) толщиной в одну клетку (как цианобактерии на рис. 2), и поэтому на первый взгляд кажутся слишком простыми, чтобы рассматриваться как многоклеточные, — хотя на самом деле они не менее многоклеточны, чем герань на вашем окне. Живой мир полон организмов с гораздо более простой многоклеточностью, чем можно себе представить.

Мы обнаружили, что липоксигеназы ассоциированы даже с такими простыми типами многоклеточности как у бактерий, так и у эукариот. Похоже, что, стоило где-нибудь появиться многоклеточности, тут же появлялись липоксигеназы — путем горизонтального переноса генов. Пока мне до конца не известна причина такой «незаменимости» липоксигеназ — но, если наши предположения верны, липоксигеназа может быть одним из самых универсальных маркеров многоклеточности, которые мы знаем.

Статистическая и филогенетическая картина, которая произвела на нас столь сильное впечатление, была сформирована в основном цианобактериями, миксобактериями, диктиостелиевыми слизевиками и сложными многоклеточными эукариотами. Эти таксоны демонстрировали как высокую распространенность липоксигеназы, так и филогенетическую картину приобретения липоксигеназы одновременно с появлением многоклеточных форм. Но в нашей выборке бактерий был еще один многоклеточный таксон, для которого в базах данных NCBI и UniProt были доступны последовательности липоксигеназ. Это были Beggiatoa — род гигантских серных бактерий.

Beggiatoa: еда и воздух

Их многоклеточные формы похожи на цианобактерии — Beggiatoa живут в виде длинных нитей, состоящих из отдельных клеток. Внутри этих клеток видны желтые светопреломляющие гранулы — это не что иное, как глобулы элементной серы (рис. 3, видео 1). Это важнейший биохимический промежуточный продукт, образующийся в процессе окисления сульфида до сульфата, который дает энергию этой бактерии. Если вы окисляете органические вещества, содержащиеся в вашем гамбургере, и зарабатываете АТФ, то Beggiatoa вместо этого окисляет сульфид. Такой способ существования называется хемолитоавтотрофией (в то время как вы являетесь хемоорганогетеротрофом). Если говорить совсем упрощенно, то для Beggiatoa сульфиды — это «еда», а растворенный в воде кислород — «воздух».

Такой образ жизни заставляет Beggiatoa, как и другие серные бактерии, обитать в местах, где всегда есть сульфиды (например, в серных пещерах или озерах, богатых сульфидами, рис. 4). Но вместе с «едой» ей нужен и «воздух». Так что она живет на тонкой границе между богатым сульфидами осадком и богатой кислородом водой, и ее длинные нити соединяют «еду» и «воздух». Многоклеточность для Beggiatoa — это возможность формировать длинные филаменты и таким образом буквально усидеть на двух стульях!

В своей предыдущей работе мы обратили внимание на совместное присутствие многоклеточности и липоксигеназ у Beggiatoa, но не сделали никаких выводов относительно этого рода бактерий. Род Beggiatoa включает всего два вида (Beggiatoa leptomitoformis и Beggiatoa alba) в составе порядка Thiotrichales. Их липоксигеназы образовали тонкую и длинную ветвь в наших филогенетических моделях, которая не позволяла сделать какие-либо эволюционные предположения (рис. 5). Более того, частота встречаемости липоксигеназ была низкой даже в пределах порядка Thiotrichales — в отличие от других многоклеточных бактерий, для которых этот показатель был высоким (рис. 6). Говоря нематематическим «гуманитарным» языком, многие бактерии порядка Thiotrichales образуют длинные нити, многие из них многоклеточные, но только два вида Beggiatoa имеют предполагаемые липоксигеназы. Этого было недостаточно для биоинформатического исследования. Пазл не складывался.

Thiomargarita magnifica: недостающая деталь пазла

Все изменилось одним прекрасным днем, когда я ехал с работы в электричке и читал свежий номер New Scientist, только что пришедший мне по подписке. Мое внимание привлекла статья об открытии Thiomargarita magnifica (рис. 7) [8]. Ранее я краем глаза замечал новости об открытии новой гигантской бактерии, но это был первый раз, когда я вник в проблему.

Новооткрытая бактерия — гигант бактериального мира, превосходящий размером плодовую мушку Drosophila, — оказался близким родственником Beggiatoa [9]. Он также оказался серной бактерией с похожими метаболическими потребностями. Этим представителям одного бактериального порядка Thiotrichales необходимо соединять «еду» и «воздух» — точно так же, как Beggiatoa и другим гигантским серным бактериям (см. «Гигантская Thiomargarita magnifica нарушает каноны устройства бактериальной клетки» [10]).

Меня словно громом поразило, в самом лучшем смысле этого слова. Это было озарение. Thiomargarita magnifica оказалась недостающей деталью пазла. Будучи ближайшим родственником Beggiatoa и Thioploca, она также достигла невероятной сложности, увеличив свой размер, но сделала это без многоклеточности. Ее гигантская нить представляет собой одну клетку, что является весьма необычным способом увеличения размеров. Клетки имеют фундаментальные ограничения на размер — их энергия вырабатывается АТФ-синтазами, которые могут располагаться только на мембранах. Количество доступных АТФ-синтаз, в свою очередь, в целом зависит от общего размера мембран. Чем больше клетка, тем меньше отношение поверхности к объему — и тем меньше энергии доступно для метаболических механизмов клетки. Но Thiomargarita magnifica увеличила внутриклеточную сложность почти до эукариотического уровня: ее АТФ-синтазы расположены на цитоплазматических мембранных пузырьках, называемых пепинами, которые также содержат ДНК. Это резко увеличивает поверхность генерации АТФ. Можно сказать, что пепины одновременно заменяют этой бактерии и митохондрии, и клеточные ядра — и это сделано безо всякого эндосимбиоза! Как знать, может, в альтернативной Вселенной эукариоты могли бы возникнуть именно таким — более простым — способом?

Две близкие родственницы, Thiomargarita и Beggiatoa, живут в сходных условиях и подвергаются одинаковому давлению отбора, вынуждающему их быть крупнее, но решают эту проблему по-разному. Это означает, что Thioploca и Beggiatoa также могли найти способ соединять «еду» и «воздух» независимо друг от друга. И это может быть объяснением того, почему только Beggiatoa приобрели липоксигеназы.

Новая статья-дискуссия

Thioploca больше полагается на свою подвижность — она может активнее скользить вверх-вниз, чтобы пополнить метаболические запасы, а затем «задержать дыхание» и провести необходимые биохимические процессы. Beggiatoa менее подвижны, и их единственная стратегия сохранения длины — многоклеточность. А как мы сказали выше, липоксигеназы и многоклеточность статистически и эволюционно тесно связаны. Мы знаем, что наличие липоксигеназ с большой степенью вероятности означает способность синтезировать оксилипины — но почему весь живой мир активно использует именно их, чтобы стать многоклеточным, пока до конца не ясно. Тем не менее, именно критическая зависимость от многоклеточности и межклеточной сигнализации могла послужить причиной, по которой два вида Beggiatoa приобрели липоксигеназы, в то время как другие бактерии этого не сделали (рис. 8).

Эта гипотеза — лишь одно из различных биохимически правдоподобных объяснений, но она отражает основную идею о том, что пути к сложности у Thiotrichales могут быть весьма различными. Доказано бактерией Thiomargarita magnifica. Липоксигеназа Beggiatoa, вероятно, является одним из таких своеобразных путей, и представители Beggiatoa могут быть «реабилитированы» в научном смысле — они, вероятно, используют липоксигеназы (и, вероятно, оксилипины?) для поддержания своей многоклеточности, несмотря на низкие статистические показатели.

Я отразил эти вновь открывшиеся обстоятельства в новой короткой дискуссионной статье в журнале «Биохимия» [11]. В ней я обобщил идеи, изложенные выше. Надеюсь, эта небольшая статья действительно вызовет дискуссию — тем более что связанные с многоклеточностью липоксигеназы у серной бактерии вызывают много вопросов. Наши знания об оксилипиновой сигнализации у бактерий очень скудны, но, по крайней мере, нам известны некоторые биохимические факты о липоксигеназах у других многоклеточных бактерий — цианобактерий и миксобактерий. Но о липоксигеназах Beggiatoa мы не знаем ничего — а ведь они могли бы стать новой биохимической «планетой», открытой на кончике пера!

Благодарности

Я выражаю огромную признательность постоянному иллюстратору «Биомолекулы» и моего проекта по липоксигеназе Анастасии Самоукиной за создание художественных и научно достоверных иллюстраций к этой статье.

Данная статья впервые была опубликована в блоге автора на платформе Springer Nature Research Communities под названием Beggiatoa’s lipoxygenase: does a close relative of Thiomargarita magnifica carry a biochemical secret? Публикация ее адаптированного перевода на «Биомолекуле» осуществляется в соответствии с правилами платформы.

Литература

1. Из липидов — в дирижеры клеточных реакций, или Как общаются клетки;
2. Жасмонаты: «слёзы феникса» из растений;
3. Абсцизовая кислота: гормон покоя и стресса, лекарство от сахарного диабета;
4. Оксилипины помогают бактериям «перескакивать» с растений на человека;
5. По следам оксилипинов: эволюция биохимического «эсперанто»;
6. Куракин Г.Ф., Самоукина А.М., Потапова Н.А. (2020). Липоксигеназы бактерий и простейших могут участвовать в межклеточной сигнализации и подавлении иммунного ответа. Биохимия. 85, 1256–1273;
7. Элементы: «Циклические затопления пещеры способствовали появлению нового типа многоклеточности у бактерий»;
8. Wong C. (2022). Largest known bacteria in the world are visible to the naked eye. New Scientist;
9. Jean-Marie Volland, Silvina Gonzalez-Rizzo, Olivier Gros, Tomáš Tyml, Natalia Ivanova, et. al.. (2022). A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science. 376, 1453-1458;
10. Элементы: «Гигантская Thiomargarita magnifica нарушает каноны устройства бактериальной клетки»;
11. Куракин Г.Ф. (2023) Липоксигеназа гигантской серной бактерии: эволюционное решение для увеличения размера и сложности? Биохимия. 88, 1035–1039.