Спастись от клеток-читеров помогает только изоляция

Их можно было бы назвать эгоистами, жуликами, обманщиками или эксплуататорами. Но авторы статьи в Nature Communications, посвященной этому феномену у хлебной плесени (Neurospora crassa), предпочитают слово «читер». В отличие от прочих имен, оно не приписывает грибам-мутантам преступных намерений, — а лишь подчеркивает тот факт, что эти грибы используют фундаментальный принцип устройства многоклеточных организмов для получения личной выгоды. И если присмотреться внимательнее, то оказывается, что тот же принцип приводит к появлению «читеров» и в организме животных. Защититься от них, как показывает практика, можно, только лишив их возможности пользоваться общими ресурсами, — но у животных эта сегрегация приводит к другим последствиям, чем у грибов.

Недружественный союз

Организм многоклеточного животного только на первый взгляд может показаться идеальным «государством», состоящим из законопослушных «граждан»-клеток. Несмотря на то, что большинство клеток заключили «общественный договор» и следуют ему, объединившись в ткани и органы, между ними продолжается скрытая война всех против всех: если одна клетка получает шанс захватить больше питательных веществ, пространства или факторов роста, чем другая — она не преминет этим воспользоваться.

Конкуренцию между отдельными клетками можно заметить в самых разных ситуациях. Так, эмбриональные стволовые клетки в зародыше мыши подавляют обмен веществ у тех членов своего сообщества, которые сильнее склонны к апоптозу (у которых активировано больше молекул белка р53) — и тем самым их убивают (S. Bowling et al., 2018. P53 and mTOR signalling determine fitness selection through cell competition during early mouse embryonic development; G. Zhang et al., 2017. p53 pathway is involved in cell competition during mouse embryogenesis).

Да и во взрослом организме клетки продолжают выживать слабых соседей из ткани (N. Liu et al., 2019. Stem cell competition orchestrates skin homeostasis and ageing). Например, чтобы стволовая клетка могла удержаться в базальном слое кожного эпителия, ей необходимо производить коллаген XVI, за который, собственно, она и цепляется. Как только клетка «слабеет» (то есть по какой-то причине теряет способность синтезировать коллаген в высокой концентрации), то слабеет и ее хватка, и ее становится проще оторвать от опоры. В этот момент более мощные соседи делятся, и их потомки занимают место «слабака» на базальной мембране, а проигравшая стволовая клетка начинает дифференцироваться в клетку кожи — и, как положено клеткам кожи, быстро умирает и слущивается с поверхности. Это приводит к тому, что с возрастом генетическое микроразнообразие в ткани снижается, поскольку кожа заполняется потомками нескольких самых мощных клеточных клонов (рис. 2). Обычно это не очень хорошо для ткани: если эти клоны несут в себе какую-нибудь неблагоприятную мутацию, то с возрастом заменить их становится некем.

Тем не менее, сама по себе конкуренция — не только неизбежный, но и небесполезный механизм. Она позволяет буквально подтолкнуть падающего и поскорее избавить ткань от нефункционального балласта. А в некоторых случаях даже помогает вылечиться от болезни. Известно, что так бывает с буллезным эпидермолизом — заболеванием, при котором ген коллагена XVII поврежден, а клетки базального слоя отрываются от подложки слишком легко. Люди с такой мутацией страдают от постоянных проблем с кожей, которая «слезает» с тела от малейших прикосновений. Однако у некоторых больных кожа способна к «самоисцелению»: в отдельных клетках возникает новая мутация, которая корректирует предыдущую, и такие клетки начинают выигрывать конкуренцию у своих нездоровых соседей (A. Pasmooij et al., 2012. Natural gene therapy may occur in all patients with generalized non-Herlitz junctional epidermolysis bullosa with COL17A1 mutations).

Паразиты на древе жизни

Таким образом, клеточная конкуренция оказывается палкой о двух концах. С одной стороны, это безусловно ценный механизм, который позволяет формировать ткань из более крепких и здоровых клеток. С другой стороны — лазейка для паразитов. Утверждая право сильнейшего, не стоит ожидать, что все, кто им воспользуется, будут делать это на благо сообщества. Так, в тканях многоклеточных животных накапливаются неблагонадежные клоны или опухолевые клетки, а добропорядочные соседи не всегда могут этому противостоять.

Не стоит, впрочем, думать, что эта проблема уникальна для животных тканей. Ту же самую ситуацию можно было бы рассматривать и на уровне животных сообществ (см. Межгрупповые войны — причина альтруизма?, «Элементы», 05.06.2009), где тоже встречаются свои альтруисты (которые живут по правилам) и свои обманщики (которые ставят личную выгоду выше общественной). То же можно наблюдать и внутри популяции бактерий (см. Альтруисты процветают благодаря статистическому парадоксу, «Элементы», 16.01.2009).

Конкуренция (в том числе и среди родственников) — одно из фундаментальных свойств живого, пронизывающее все уровни организации, от генов до сообществ. Однако, чтобы лучше понимать, как она устроена внутри нашего тела, полезно посмотреть на ее проявления внутри других многоклеточных организмов. У животных она встречается очень часто и устроена примерно одинаково: сам феномен конкуренции на клеточном уровне впервые обнаружили в зародышах мух (G. Morata, P. Ripoll, 1975. Minutes: Mutants of Drosophila autonomously affecting cell division rate), прежде чем найти его у мышей. Да и рак среди многоклеточных животных описан почти во всех таксонах (C. A. Aktipis et al., 2015. Cancer across the tree of life: cooperation and cheating in multicellularity). Растения, как считается, подвержены внутреннему паразитизму в меньшей степени, — поскольку паразиту полезно быть подвижным, чтобы захватывать территорию, а клетки растений статичны и заключены в прочные стенки, которые не так-то просто сдвинуть с места. Зато ожесточенные схватки разыгрываются в организмах других многоклеточных существ — грибов.

Далеко не всегда грибы развиваются по тому же принципу, что и животные, у которых из одной клетки вырастает целый организм. Наоборот, они часто образуют многоклеточное тело из нескольких особей (не обязательно генетически родственных), объединяя свои усилия для размножения, то есть образования расселяющихся спор. И в такой ситуации иногда оказывается, что не все особи честно вкладываются в общее дело. Некоторые из них ведут себя как «читеры»: сами по себе они образуют мало спор, зато стремятся проникнуть в споры соседей. Иными словами, они вносят скромный вклад в общий бюджет, зато забирают себе из него непропорционально большую долю. За таким поведением были замечены, например, пекарские дрожжи (J. T. Pentz et al., 2020. Ecological Advantages and Evolutionary Limitations of Aggregative Multicellular Development). А группа ученых из Вагенингенского университета в Нидерландах обнаружила похожий феномен, работая с красной хлебной плесенью (Neurospora crassa): у этого гриба мутанты-«читеры» возникали в популяции спонтанно, если дать ей возможность беспрепятственно расти. Ученые решили разобраться, в чем заключается их хитрость и можно ли им противостоять.

Анатомия хитрости

Neurospora crassa — один из самых изученных грибов на свете. Еще в середине XX века с ней работали будущие Нобелевские лауреаты Джордж Бидл и Эдуард Тейтем, которые вывели принцип «один ген — один белок». А в самом начале XXI века ее геном отсеквенировали, и работать с ней стало еще проще — теперь для каждого фенотипа несложно вычислить ответственные за него гены.

Нейроспору называют хлебной плесенью, потому что впервые нашли во французских пекарнях. Но в природе она может жить и на разлагающейся древесине, которая, например, остается на пожарищах. Она может размножаться половым путем (рис. 3), но для расселения предпочитает бесполый. При этом над ее телом, состоящим из гиф — ветвящихся многоклеточных и многоядерных нитей, поднимаются особенные, воздушные гифы. А них затем формируются многоядерные клетки — споры, которые затем разлетаются по окрестностям и, попав на подходящий субстрат, прорастают в новые многоклеточные нити.

Однако производство спор и воздушных гиф — процесс затратный, и его успех зависит от того, сколько ресурсов есть у всего скопления нитей, то есть мицелия. Поэтому отдельным мицелиям выгодно сливаться друг с другом — так выше шанс, что объединенных запасов энергии хватит на более эффективное расселение (E. Bastiaans et al., 2015. Experimental demonstration of the benefits of somatic fusion and the consequences for allorecognition). По крайней мере, после успешных слияний на мицелии нейроспоры образуется больше спор. Это становится возможным, потому что перегородки между клетками в гифе у нейроспоры неполные — а значит, питательные вещества и даже целые ядра могут мигрировать в нити, из которых позже сформируются споры.

Но там, где есть кооперация, рано или поздно появляются читеры (от англ. to cheat — обманывать) — те, кто играет не по правилам (E. Bastiaans et al., 2016. Experimental evolution reveals that high relatedness protects multicellular cooperation from cheaters). Сами по себе гифы читеров не особенно плодовиты и образуют меньше спор, чем обычный мицелий. Более того, если читер сливается с мицелием добропорядочного гриба, спор у такого союза получается меньше ожидаемого. Зато ядер-читеров среди этих спор оказывается непропорционально много — они мигрируют по нитям в сторону образующихся воздушных гиф. Получается, что в этой ситуации конкурируют друг с другом не особи или клетки (как это бывает у животных), а отдельные ядра нейроспоры.

В экспериментах, когда популяции нейроспоры давали беспрепятственно расти, читеры возникали несколько раз независимо друг от друга. И когда исследователи отсеквенировали их геном, то заметили, что из восьми линий читеров шесть приобрели мутацию (чаще с потерей функции) в одном и том же гене — soft (so). За что именно отвечает этот ген внутри клетки, до сих пор непонятно, однако нейроспоры без гена so гораздо реже обычного сливаются с соседними гифами и образуют меньше спор. Еще две линии читеров несли мутации в других генах — ham-5 и ham-8, про которые тоже известно, что их белковые продукты участвуют в слиянии нитей гриба.

Логично было предположить, что из гиф с полной делецией по гену so тоже получатся читеры. И действительно, оказалось, что нейроспоры с удаленным so ведут себя тем же образом: чем больше их доля в популяции, тем меньше спор эта популяция производит (рис. 4). Но при этом они имеют преимущество перед диким типом — но только если их в культуре до 30 процентов. Так удаление одного-единственного гена делает нейроспору неблагонадежным членом сообщества этих грибов.

Однако неспособность сливаться с другими гифами — не самое удобное качество для читера. Ведь если слияния не произойдет, то у него не будет шансов захватить другие споры. Поэтому исследователи предположили, что читеры неспособны не на слияние как таковое, а на его инициацию — то есть что инициатива всегда исходит от гиф дикого типа (у которых ген so на месте). И действительно, оказалось, что с гифами дикого типа читеры сливаются довольно часто, а вот между собой две разных линии читеров (у обеих нет гена so и нет еще по одному маркерному гену, что позволяет их различать) сливаться «отказываются» (рис. 5).

В результате картина сосуществования читеров с честными гифами нейроспоры выглядит так. В популяции возникает мутант, который практически не способен инициировать слияние с соседями, однако может принять протянутую «руку» от мицелия дикого типа. Они сливаются и образуют химерные нити, которые продолжают расти и образовывать споры. При этом ядра читера не участвуют в росте мицелия и слиянии с другими нитями — и поэтому чаще оказываются внутри воздушных гиф, которые формируют споры. Доля ядер-читеров в спорах получается выше, чем «честных» ядер, поэтому и частота читеров в популяции растет с каждым новым пересевом колонии.

Но в какой-то момент экспансия читеров останавливается (рис. 6). Дело в том, что поскольку читеры не инициируют слияние, то, когда их становится в популяции достаточно много, им сложнее найти партнера, который протянет им «руку». Поэтому их мицелий становится фрагментированным, а следовательно, им не хватает ресурсов на то, чтобы произвести достаточно спор, — и их доля в популяции начинает падать. «Честные» линии нейроспоры постепенно возвращают себе преимущество, а популяция саморегулируется. Именно поэтому ни в одном из лабораторных экспериментов читеры не захватывают всю культуру целиком.

Защита честных

Таким образом, в колонии нейроспоры проблема читерства решается сама собой — за счет изоляции их от остальных ядер. Хотя в соревновании ядер внутри одного мицелия неизбежно побеждают читеры, как только их становится слишком много, они оказываются отделены от «честных» мицелиев. Конкуренция выходит на уровень выше, состязаться между собой начинают уже целые нити — а здесь «жадные» читеры не способны конкурировать с более продуктивными гифами дикого типа.

Есть и другие способы добиться этого эффекта изоляции — например, сделать непроницаемыми межклеточные перегородки, как «поступают» многие другие мицелиальные грибы. Тогда клеткам-читерам будет сложнее воспользоваться ресурсами честных клеток, а последним, наоборот, станет проще обороняться (см., например, Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009).

Многоклеточным животным в этом смысле, конечно, проще — у нас невозможна не только свободная миграция ядер между клетками, но и конкуренция между неродственными ядрами, поскольку весь организм, в отличие от сливающихся нейроспор и временно агрегирующих амеб, образован потомками одной-единственной клетки. Вероятно, именно поэтому многоклеточность появилась как результат клонального деления, а не агрегации неродственных клеток (см. Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток, «Элементы», 22.12.2011). Однако это не значит, что в теле животного не бывает клеток-читеров — ведь с течением времени каждый потомок накапливает свой набор мутаций и становится равноправным участником клеточной конкуренции.

Классическим примером читеров можно считать опухолевые клетки, которые часто выигрывают в конкурентной борьбе. Но похожим образом, как ни удивительно, ведут себя и сенесцентные (старые) клетки в тканях животного (см. Сенолитики продлили мышам жизнь и улучшили ее качество, «Элементы», 01.08.2018). Несмотря на то, что индивидуальную конкуренцию с молодыми клетками они обычно проигрывают (P. Nelson, J. Masel, 2017. Intercellular competition and the inevitability of multicellular aging), в масштабах ткани они получают немалую выгоду: они поглощают ресурсы (глюкозу и факторы роста) из межклеточного пространства, но при этом перестают выполнять часть своих прежних функций (и они не увеличивают продуктивность ни конкретной ткани -поскольку не способны делиться, — ни организма в целом). Также они выделяют сигнальные вещества (комплекс белков SASP), чтобы привлечь в ткань иммунные клетки и вызвать воспаление — под действием которого соседние клетки тоже рискуют стать сенесцентными. Таким образом, на клеточном уровне старение может быть заразным — и оказывается выигрышной стратегией.

И для того, чтобы справиться с читерством такого масштаба, многоклеточные животные прибегают к крайнему варианту компартментализации — у них зародышевая линия (germline), то есть предшественники половых клеток, строго отделена от остального тела (сомы). Несмотря на то, что все клетки тела несут в себе один и тот же генотип, зародышевая линия обособляется в начале развития и «консервируется» как «чистый» представитель этого генотипа — и никакие представители сомы в нее проникнуть не должны. Фактически сама половая линия становится читером (см. Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество, «Элементы», 06.04.2007): ее клетки заставляют клетки сомы работать на себя, не допуская их к размножению.

Это неравноправие продолжается и на уровне физиологии. Зародышевая линия должна продержаться в нетронутом виде до следующего поколения, а сома обязуется охранять ее и снабжать энергией — естественно, в ущерб себе самой. Поэтому клетки половой линии со временем меняются несильно, а клетки сомы изнашиваются и стареют, жертвуя собой (об этом — теория «одноразовой сомы», подробнее см. Предложена универсальная модель старения одноклеточных организмов, «Элементы», 22.05.2020). Таким образом, старение многоклеточных животных — это неизбежное следствие компартментализации: захватившие власть читеры (клетки половой линии) провоцируют появление новых читеров среди добропорядочных граждан (в стареющей соме) и эффективно от него защищаются сами — предоставляя нам разбираться со всеми прочими последствиями.

Источник: elementy.ru

. .