Социальные амёбы умеют формировать многоклеточный эпителий

Рис. 1. Некоторые типы эпителия многоклеточных животных. Рисунок с сайта asweknowit.net (подробнее см.: Характеристика разных типов эпителия)

Эпителий из плотно склеенных поляризованных клеток до сих пор считался уникальной чертой многоклеточных животных. Американские биологи обнаружили, что скопления общественных амёб Dictyostelium формируют нечто очень похожее на настоящий эпителий, причем в этом процессе участвуют белки, родственные альфа- и бета-катенинам, играющим ключевую роль в формировании эпителия у животных. Открытие показало, что молекулярные комплексы, необходимые для формирования эпителия, могли сформироваться у одноклеточных задолго до появления животных.

Эпителий — один из основных типов тканей, характерных для многоклеточных животных (Metazoa); рис. 1. Простейший эпителий состоит из одного слоя прочно «склеенных» друг с другом клеток, способных к направленному поглощению и выделению различных веществ. Главной особенностью эпителиальных клеток является их поляризованность: расположение внутриклеточных структур и мембранных белков в них строго упорядоченно. Одни белковые комплексы (например, служащие для скрепления эпителиальных клеток) располагаются преимущественно на их «боковой» поверхности, другие (например, служащие для выведения каких-то веществ в выстланный эпителием проток железы) сидят в основном на «наружной» поверхности.

Ключевую роль в склеивании и поляризации эпителиальных клеток у животных играют белки трех типов: 1) альфа-катенины (Alpha-catenin), связывающиеся с актином — одним из основных белков цитоскелета; 2) бета-катенины (Beta-catenin; об их роли в индивидуальном развитии животных см. в заметке Разгадан механизм регенерации конечностей, «Элементы», 27.11.2006) и 3) «классические» кадхерины, имеющие внеклеточный участок с «кадхериновыми повторами», которые могут склеиваться друг с другом, и внутриклеточную часть, связывающуюся с бета-катенином.

«Классические» кадхерины есть у всех животных, включая губок, но отсутствуют у одноклеточных. У хоанофлагеллят — ближайших одноклеточных родственников животных — кадхерины есть, но не «классические» (см.: Расшифрован геном хоанофлагеллят — ближайших одноклеточных родичей всех многоклеточных животных, «Элементы», 18.02.2008). О происхождении катенинов до сих пор почти ничего не было известно.

Биологи из Стэнфордского университета (США) сообщили в последнем номере журнала Science, что им удалось обнаружить альфа- и бета-катенины у социальной амёбы Dictyostelium. Более того, оказалось, что скопления этих одноклеточных существ способны формировать нечто очень похожее на настоящий однослойный эпителий животных.

Общественные амёбы Dictyostelium при недостатке пищи собираются в большие многоклеточные агрегаты (псевдоплазмодии), из которых затем образуются плодовые тела (см.: Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009; Расшифрованы генетические основы трёхполости у общественной амёбы, «Элементы», 15.12.2010).

Зрелое плодовое тело представляет собой шарообразное скопление спор на высокой тонкой ножке. Механическую прочность ножке придает центральная (осевая) трубка, содержащая целлюлозу и белки EcmA/B. Эти вещества выделяются клетками, окружающими трубку. Именно эти клетки и образуют нечто похожее на однослойный эпителий (рис. 2). Внешнее сходство клеток, окружающих верхний конец растущей ножки, с эпителиальными клетками животных, было отмечено еще в 2000 году. В новой статье авторы показали ярко выраженную поляризацию этих клеток: центросома и аппарат Гольджи в них всегда располагаются между ядром и поверхностью, обращенной к осевой трубке, и к этой же поверхности приурочены молекулы фермента, синтезирующего целлюлозу (cellulose synthase). Такое строение позволяет уже без всяких оговорок называть слой клеток, окружающий осевую трубку, «однослойным эпителием».

Рис. 2. Этапы формирования плодового тела и эпителий, окружающий его верхушку. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Как уже говорилось, у животных ключевую роль в формировании эпителия играют альфа- и бета-катенины. Ранее было показано, что у диктиостелиума есть белок, гомологичный бета-катенину животных. Теперь авторам удалось найти и гомолог альфа-катенина. Выяснилось, что этот белок производится в малых количествах, пока амёбы живут поодиночке, но его синтез резко усиливается при формировании многоклеточных структур. Как и альфа-катенин животных, этот белок способен прикрепляться, во-первых, к волокнам актина, во-вторых — к бета-катенину (в опытах использовался, с одинаковым успехом, бета-катенин диктиостелиума и мыши).

Чтобы выяснить функции катенинов у диктиостелиума, авторы при помощи генно-инженерных методов поочередно отключали гены этих двух белков и смотрели, как это отразится на формировании плодового тела и эпителия ножки. Эксперименты показали, что оба белка необходимы для нормального развития эпителия. Без них клетки не могут должным образом поляризоваться и самоорганизоваться в эпителий, а без эпителия не формируется осевая трубка. В итоге развитие плодового тела обрывается на ранней стадии (рис. 3).

Рис. 3. Ранние этапы формирования плодового тела в норме (вверху) и у амёб с выключенным геном альфа-катенина (внизу). Во втором случае клетки вершины развивающегося плодового тела остаются не поляризованными и не могут организоваться в однослойный эпителий. Без эпителия не может сформироваться осевая трубка, наполненная веществами, выделенными эпителиальными клетками. Фото из обсуждаемой статьи в Science

По-видимому, альфа- и бета-катенин необходимы скоплениям социальных амёб для поляризации эпителиальных клеток. У животных эти белки, взаимодействуя с классическими кадхеринами, участвуют также и в склеивании клеток эпителия. Но у социальных амёб нет классических кадхеринов, и склеивание эпителиальных клеток у них, по-видимому, обеспечивается какими-то другими молекулярными комплексами.

Открытие показало, что ключевые элементы молекулярных систем, отвечающих за формирование эпителия у животных, вероятно, появились еще у их одноклеточных предков. Первичная функция альфа- и бета-катенина, по-видимому, состояла в том, что они помогали клеткам приобрести полярность.

Участвовать в склеивании клеток они стали позже.

// ') return false } // ]]> Рис. 4. Эволюционное дерево эукариот. Животные вместе с хоанофлагеллятами и грибами входят в группу Opistokonta. Диктиостелиум вместе со многими другими амёбами относится к родственной группе Amoebozoa. Рисунок из книги Barton et al., 2007. Evolution

Наличие у социальных амёб альфа- и бета-катенина и их способность формировать однослойный эпителий говорят о том, что всё это, возможно, уже было у общих предков Opistokonta и Amoebozoa. В таком случае приходится признать, что многие представители этих двух групп вторично утратили эту способность. Или же эпителий у животных и диктиостелиума сформировался независимо на сходной молекулярной основе, унаследованной от общего предка.

Источник: Daniel J. Dickinson, W. James Nelson, William I. Weis. A Polarized Epithelium Organized by β- and α-Catenin Predates Cadherin and Metazoan Origins // Science. 2011. V. 331. P. 1336–1339.

Александр Марков