12 биологических новостей в картинках

Вообще, мы серьезные люди. Гранит науки хрустит на наших зубах. Мы освещаем такие суровые, такие сложные закоулки биологического знания, до которых не дотянулись фонари других научно-популярных сайтов. Но иногда нам так хочется подурачиться. И рассказать о науке веселым языком, показать ее под другим углом. Нарисовать забавных картинок, написать легкий и смешной текст. Поэтому мы и открыли новую рубрику — «12 биологических новостей в картинках».

Интеллектуальный партнер этих иллюстрированных рассказов — АО РВК.

800 миллионов лет назад в истории жизни на Земле произошло важнейшее событие: среди живых организмов появились многоклеточные. Содержать в мире и спокойствии сразу несколько клеток — дело непростое, потому что надо согласовывать их действия, а также удерживать их вместе, чтобы организм не распался и имел определенную форму. Пока точно неизвестно, что конкретно позволило перейти к многоклеточности, но одно из недавних предположений, выдвинутых учеными из нескольких штатов США, гласит, что этому помогло изменение функций фермента гуанилаткиназы (GK), которая превратилась в GK-PID (guanylate kinase protein-interaction domain), определяющий ориентацию веретен деления в клетках [1].

Предположение это появилось не на пустом месте. Известно, что именно GK-PID (домен в составе белка Dlg) помогает веретенам деления ориентироваться нужным образом. Dlg скапливается с внутренней стороны клеточной мембраны, и GK-PID одной своей стороной связывается с якорными белками-маркерами на ней. (Расположение таких маркерных белков напрямую зависит от формы и типа материнской клетки.) Другой стороной он прикрепляется к микротрубочкам веретена деления и таким образом фиксирует их в нужной плоскости. А поскольку микротрубочки в составе веретена деления растаскивают хромосомы материнской клетки по дочерним, получается, что за счет GK-PID хромосомы расходятся в нужных плоскостях.

Когда последовательность ДНК, кодирующая GK-PID, несет в себе мутации, геометрия деления клеток нарушается. Вместо того чтобы образовывать упорядоченные структуры, новые ткани становятся бесформенными или даже перерождаются в раковые. Вероятно, то же самое происходило и с клетками в составе еще несовершенных протомногоклеточных.

Чтобы понять, имеет ли такое предположение право на существование, исследователи попробовали реконструировать древние варианты GK-PID. Они проверили, какие эволюционные связи имеет эта молекула с очень похожим по строению ферментом гуанилаткиназой, которая у человека и других млекопитающих помогает «строить» цепи ДНК. Для этого ученые сравнили последовательности, кодирующие эти два белка, у представителей 200 различных видов животных и простейших. Оказалось, что у многоклеточных организмов последовательность ДНК, кодирующая GK-PID, отличается от аналогичной последовательности одноклеточных всего на один триплет нуклеотидов — группу, кодирующую одну аминокислоту. Именно это отличие (замена серина на пролин) придало предковой форме GK-PID способность цепляться за белки-маркеры у плазматической мембраны. У одноклеточных его аналог, как и гуанилаткиназа, служит для сборки ДНК.

Итак, чтобы GK «поменяла профессию» и из фермента стала якорем для веретена деления, понадобилась всего одна мутация. Однако надо заметить, что ей предшествовало событие покрупнее. Ген, кодирующий этот белок, у предков многоклеточных животных удвоился — и это в пределах одной хромосомы. Получились эдакие сиамские близнецы. При этом изменение последовательности нуклеотидов, которое перепрофилировало гуанилаткиназу, произошло в теле только одного близнеца.

Могла ли многоклеточность появиться в результате изменения единственного гена? Нельзя исключать такую возможность. Но, конечно, не помешает проверить и остальные варианты. Чтобы сделать это, пригодится метод реконструкции древних белков [2]. Данные о последовательностях нуклеотидов в генах различных видов можно не только сравнивать между собой и на основе этого устанавливать степень родства организмов, чем занимается молекулярная филогенетика. Есть еще вариант включать нужные варианты генов в ДНК бактерий и «заставлять» их производить чужие белки, в том числе и «древние», присущие наиболее примитивным организмам. Свойства таких белков, как и любых других, можно изучать методами биохимии. При этом велик шанс из информации о «поведении» белков выудить и данные о жизни организмов, их вырабатывающих. В любом случае, мутация в гене GK почти наверняка сыграла значительную роль в усложнении организмов наших предков, и, может быть, именно она — первопричина того, что вы только что до конца дочитали эту статью.

Литература

1. Anderson D.P., Whitney D.S., Hanson-Smith V., Woznica A., Campodonico-Burnett W., Volkman B.F. et al. (2016). Evolution of an ancient protein function involved in organized multicellularity in animals. eLife. 5, e10147;
2. Элементы: «Геология и эволюция»..