Подавляющее большинство эукариот размножаются половым путем, однако не у всех этот процесс легко наблюдать. У многих одноклеточных организмов он окутан ореолом таинственности и зависит от внешних условий, таких как влажность, температура или наличие питательных веществ, концентрация углекислого газа или освещенность. Теперь к этому списку добавились микробные «афродизиаки» — белки, выделяемые бактериями во внешнюю среду. Обнаружили их случайно.
Профессор Калифорнийского университета в Беркли Николь Кинг (Nicole King) интересуется происхождением животных, особенно возникновением многоклеточности. В качестве объекта исследования она выбрала хоанофлагеллят (Choanoflagellata). Это одноклеточные эукариоты, ближайшие родственники животных. У клетки есть жгутик, окруженный воротничком из актиновых микроворсинок, благодаря которому эти простейшие получили второе название — воротничковые. Движение жгутика создает токи жидкости, позволяющие хоанофлагеллятам плавать в толще воды. Эти же токи пригоняют в воротничковую зону бактерий, которыми хоанофлагелляты питаются. Многие их этих простейших образуют колонии, причем легко переходят из одноклеточного состояния в колониальное и обратно. Этот переход и заинтересовал Николь Кинг (рис. 1).
Она и ее коллеги работали с видом Salpingoеca rosetta, который образует цепочки и сферические колонии, называемые розетками. Именно в виде розеток их в свое время выделили из естественной среды обитания — илистых осадков у побережья острова Хог в штате Вирджиния. Однако в лабораторных условиях S. rosetta наотрез отказывались образовывать колонии и существовали в одноклеточной форме. Лишь спустя десятилетие, благодаря случайности, исследователям удалось получить розетки при совместном культивировании S. rosetta с бактериями Algoriphagus machipongonensis [1]. Спустя 15 минут после добавления бактерий в среду S. rosetta начинали делиться, образуя колонии от 2 до 50 клеток (рис. 2). Исследователи доказали, что розетки образуются именно в результате деления эукариот, а не потому, что одиночные клетки собираются вместе и образуют агрегаты [2].
Для дальнейших исследований Николь Кинг объединила усилия с профессором кафедры биохимии и молекулярной фармакологии Гарвардской медицинской школы Джоном Кларди (John Clardy). Сотрудники его лаборатории установили, что роль сигнальных молекул играют некоторые липиды внешней мембраны бактерий. Правда, ученые пока не знают, каким образом S. rosetta воспринимают сигнальные молекулы.
Исследователи стали искать другие бактерии, влияющие на образование колоний. Для этого они выделили в чистой культуре все виды бактерий, которые в естественных условиях соседствуют с хоанофлагеллятами, и по одному добавляли их в культуру одноклеточных S. rosetta. Метод научного тыка оказался результативным — протестировав несколько десятков видов, ученые обнаружили еще несколько бактерий, стимулирующих формирование розеток. А при совместном культивировании с морскими бактериями Vibrio fischeri розетки не возникают, зато одиночные клетки собираются вместе, образуя агрегаты [3].
В лабораторной культуре S. rosetta существует в виде гаплоидных клеток. Агрегацию у хоанофлагеллят раньше не описывали; известно, однако, что многие подвижные эукариоты, в том числе амебы и инфузории, не говоря уже о животных: ракообразных, насекомых, рыбах, птицах и летучих мышах, — собираются в большие группы перед спариванием. Поэтому ученые предположили, что S. rosetta планируют заняться тем же самым, и свою гипотезу проверили. Для этого они использовали смесь двух генетически различных штаммов S. rosetta.
Действительно, под действием V. fischeri или среды, в которой культивировали вибрионов, хоанофлагелляты, относящиеся к разным штаммам, образовывали агрегаты, а затем разбивались на пары, которые сливались, образуя клетку с двумя ядрами. Затем сливаются и ядра, один из родительских жгутиков втягивается, и возникает диплоидная клетка.В дальнейшем из этих диплоидов образовались гаплоидные клетки — несомненный результат мейотической рекомбинации (рис. 3).
![Рис. 3. Бактерии Vibrio fischeri стимулируют половое размножение эукариот [5]](http://trv-science.ru/uploads/238-0125.jpg)
V. fischeri — бактерии, которые изучают по самым разным поводам. Они освоили многие экологические ниши: существуют как планктон в морской воде и осадках, как сапрофиты заселяют фекалии и туши мертвых морских животных. Они также формируют различные ассоциации с морскими животными — например, населяют светящиеся органы кальмара Euprymna scolopes. V. Fischeri служат моделью для изучения чувства кворума (quorum sensing) — способности бактерий обмениваться информацией и координировать поведение с помощью секретируемых молекул. Однако ни сигнальные молекулы quorum sensing, ни полисахариды, необходимые для симбиоза с кальмаром, не стимулируют половое размножение S. rosetta. Не влияют на спаривание хоанофлагеллят и молекулы внешней мембраны бактерий.
Афродизиаком оказался белок размером около 90 кДа, получивший название EroS (extracellular regulator of sex). Это фермент, обладающий хондроитиназной активностью, он расщепляет гиалурон и хондроитинсульфат S. rosetta. Исследователи доказали, что для стимуляции агрегации и спаривания S. rosetta ферментативная активность белка необходима. Более того, хондроитиназы других бактерий — Proteus vulgaris и Flavo bacterium heparinum, — также вызывают половое поведение S. rosetta. Обратное неверно: другие виды хоанофлагеллят не реагируют подобным образом на бактерии рода Vibrio.
Поскольку дисахариды, которые образуются в результате ферментативного расщепления хондроитинсульфата, не влияют на половое размножение S. rosetta, Николь Кинг и ее коллеги предположили, что основную роль в этом процессе играет структурная модификация сложных белков пептидогликанов, в состав которых входит хондроитинсульфат. Но эту гипотезу нужно проверять, а для начала — понять, какие функции выполняют эти молекулы у одноклеточных эукариот (у животных они входят в состав внеклеточного матрикса).
V. fischeri стимулируют спаривание rosetta при концентрации клеток, сопоставимой с наблюдаемой в океане, поэтому ученые предполагают, что бактерии могут влиять на половое размножение S. rosetta и в естественных условиях.
В работе Николь Кинг и ее коллег много неясностей. В комментарии к этому исследованию, помещенному в том же номере журнала Cell, вопросы занимают целый абзац [5]. Специалистов среди прочего интересует, каким образом EroS вызывает агрегацию хоанофлагеллят. Насколько половое размножение S. rosetta зависит от бактерий или они могут инициировать этот процесс как-то еще? Получают ли сами бактерии выгоду от содеянного? Быть может, S. rosetta, находясь в диплоидной фазе или занимаясь половым размножением, меньше времени уделяют охоте? И наконец, каков механизм действия EroS, на какую физиологическую мишень он действует и каким образом расщепление хондроитинсульфата способствует агрегации и спариванию?
Чего только не делают бактерии с эукариотами: воспитывают их иммунную систему, помогают пищеварению, управляют поведением. В присутствии бактериальных факторов клетки дрожжеподобного гриба Candida albicans образуют инвазивные гифы, а морские диатомовые водоросли Pseudonitzschi amultiseries начинают интенсивно делиться. Возможно, их ферменты влияют и на их половое размножение эукариот.
Наталья Резник
1. www.ibiology.org/ibioseminars/nicole-king-part-2.html
2. Fairclough S. R., Dayel M. J., King N. Multicellular development in a choanoflagellate // Curr. Biol. 2010. 20. R875–R876. doi: 10.1016/j.cub.2010.09.014
3. Woznica A., Gerdt J. P., Hulett R. E., Clardy J., King N. Mating in the Closest Living Relatives of Animals Is Induced by a Bacterial Chondroitinase // Cell. 2017. 170. 1175–1183. doi: 10.1016/j.cell.2017.08.005
4. Levin T., King N. Evidence for Sex and Recombination in the Choanoflagellate Salpingoeca rosetta // Curr. Biol. 2013. 23. 2176–2180. doi: 10.1016/j.cub.2013.08.061
5. Umen J., Goodenough U., Heitman J. Eukaryotic Sexual Reproduction Evoked «with a Little Help from My Friends» // Cell. 2017. 170. 1059–1061. doi: 10.1016/j.cell.2017.08.038