Microbiology

Любой социальной системе, основанной на кооперации и альтруизме, приходится защищаться от нахлебников и обманщиков, пользующихся чужой добротой, но ничего не дающих взамен. Эксперименты, проведенные американскими биологами с амёбами Dictyostelium, у которых социальный паразитизм широко распространен, показали, что способность защищаться от нахлебников может развиться очень быстро в результате случайных мутаций и отбора, осуществляемого самими же нахлебниками.

Амёбы Dictyostelium при недостатке пищи собираются в многоклеточные агрегаты (слева), из которых затем образуются плодовые тела на длинной ножке (справа). Фото с сайта www.iaa.es

Амёбы Dictyostelium в последние годы стали излюбленным объектом биологов, изучающих эволюцию кооперации и социального поведения. Эти амёбы при недостатке пищи собираются в большие многоклеточные агрегаты (псевдоплазмодии), из которых затем образуются плодовые тела. Те амёбы, чьи клетки идут на построение ножки плодового тела, фактически жертвуют собой ради товарищей, которые получают шанс превратиться в споры и продолжить род. Очень похожее социальное поведение наблюдается у ряда других микробов, в том числе у бактерий миксококков (см.: Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации, «Элементы», 25.05.2006) и бацилл (см.: Бактерии-альтруисты помогают своим сородичам-каннибалам себя съесть, «Элементы», 27.02.2006), а также у ряда одноклеточных эукариот, объединяемых вместе с диктиостелиумом в группу миксомицетов.

Создается впечатление, что эволюция неоднократно «пыталась» создать из социальных бактерий или простейших, умеющих собираться в плотные скопления, многоклеточный организм — но дело почему-то не пошло дальше плазмодиев и довольно просто устроенных многоклеточных плодовых тел. Все по-настоящему сложные многоклеточные организмы формируются иным путем — не из множества индивидуальных клеток со своими особенными геномами, а из потомков одной-единственной клетки (что гарантирует генетическую идентичность всех клеток организма).

Жизненный цикл и социальный паразитизм у Dictyostelium. Синим и желтым цветами обозначены два штамма (разновидности) амёб — «обманщики» и «честные». а — при избытке пищи амёбы живут поодиночке, растут и размножаются бесполым путем (делением); половое размножение у них тоже иногда происходит, но в лабораторных условиях это — большая редкость, и на схеме оно не показано.b–c — при недостатке пищи амёбы собираются в большие скопления. d — в результате образуются многоклеточные агрегаты длиной в несколько миллиметров, которые могут некоторое время ползать на манер слизней; их так и называют — «slugs». e–g — в конце концов многоклеточный агрегат превращается в «плодовое тело» на ножке; при этом около 20% клеток жертвуют собой, образуя ножку, а 80% превращаются в споры и получают шанс продолжить свой род. Видно, что синие клетки («обманщики») захватили почти все лучшие места в плодовом теле и превратились в споры, предоставив всю неблагодарную работу по созданию ножки желтым клеткам («честным»). Рис. из статьи: Richard H. Kessin. Cooperation can be dangerous // Nature. 2000. V. 408. P. 917–919

Одна из самых очевидных причин «эволюционной бесперспективности» многоклеточных организмов, образующихся из скоплений одноклеточных индивидуумов, состоит в том, что такие организмы создают идеальные условия для развития социального паразитизма и нахлебничества. Любая мутация, позволяющая одноклеточному индивиду пользоваться благами жизни в многоклеточном «коллективе» и ничего не давать взамен, имеет шанс распространиться, невзирая на ее гибельность для популяции (см.: Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество, «Элементы», 06.04.2007). Точно такая же проблема встает и перед социальными животными, включая человека (см.:Обман запоминается лучше, чем честные поступки, «Элементы», 02.07.2009).

Для того чтобы выжить, социальным организмам вроде диктиостелиума необходимо каким-то образом защищаться от нахлебников. Теоретически они могут это делать несколькими способами (см. ссылки внизу). Ранее в одном из экспериментов на миксобактериях было зарегистрировано появление мутации, обеспечивающей защиту от нахлебничества (см.: Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации, «Элементы», 25.05.2006). Однако до сих пор никто не пытался экспериментально установить вероятность (или частоту) появления подобных мутаций, то есть понять, является ли возникновение устойчивости к тем или иным разновидностям нахлебников обычным делом или редким исключением.

Эксперименты, проведенные биологами из нескольких научных центров Хьюстона (США) на диктиостелиуме, показали, что вероятность развития устойчивости в результате случайных мутаций у этого организма довольно высока. Ученые работали с двумя штаммами диктиостелиума  — «честными» амёбами дикого типа (условное обозначение штамма — AX4) и одним из нескольких известных штаммов амёб-«обманщиков» (chtC). Если смешать амёб из этих штаммов в равной пропорции и начать морить их голодом, они образуют химерные (смешанные) плодовые тела. При этом «обманщики» занимают лучшие места в плодовом теле и превращаются в споры, предоставляя «честным» амёбам в одиночку строить ножку плодового тела. В результате среди образовавшихся спор резко преобладают споры обманщиков.

Авторы искусственно повысили темп мутирования у «честных» амёб AX4 при помощи генетических конструкций (плазмид), встраивающихся в различные участки генома диктиостелиума (см. Restriction Enzyme-Mediated Integration (REMI) Mutagenesis). В состав плазмиды входил ген устойчивости к антибиотику бластицидину S. Встраиваясь в разные места генома, плазмида влияла на работу близлежащих генов. Затем из множества получившихся амёб-мутантов взяли тысячу особей с разными мутациями и каждой из них дали возможность размножиться.

После этого начался отбор на устойчивость к нахлебникам, причем в качестве отбирающего агента использовались сами нахлебники. Амёб из тысячи мутантных штаммов смешивали в равной пропорции и объединяли с амёбами-обманщиками, причем последних было в четыре раза больше, чем честных амёб-мутантов. Смешанную популяцию морили голодом, заставляя образовывать плодовые тела. Затем собирали образовавшиеся споры и выводили из них амёб. Естественно, среди них преобладали обманщики chtC, но экспериментаторы убивали их всех бластицидином S (как мы помним, все амёбы-мутанты имели ген, защищающий их от этого антибиотика). В результате получалась смесь амёб-мутантов, но из тысячи исходных штаммов в ней теперь преобладали те, кто смог лучше других противостоять обманщикам. Этих амёб снова смешивали с обманщиками в пропорции 1 : 4 и снова заставляли образовывать плодовые тела.

После шести таких циклов в популяции амёб-мутантов остались представители только одного из тысячи исходных штаммов. Авторы исследовали геном этих амёб и выяснили, что плазмида у них встроилась в ген DDB_G0271758, кодирующий белок с неизвестной функцией.

Выживший мутантный штамм назвали rccA (resister of cheater chtC A). Авторы убедились, что амёбы rccA действительно защищены от нахлебничества со стороны обманщиков-chtC. Если смешать тех и других в равной пропорции, то споры в химерных плодовых телах образуются тоже в равной пропорции — следовательно, жульнические приемы амёб chtC, в чём бы они ни заключались, бессильны против амёб rccA. Однако другой штамм амёб-обманщиков, LAS1, успешно паразитировал на амёбах rccA. Следовательно, мутация в гене DDB_G0271758 защитила амёб не от любых обманщиков, а только от вполне определенных.

Авторы также проверили, не стал ли устойчивый штамм rccA сам «обманщиком» по отношению к исходному штамму AX4. Теоретически, один из способов одолеть обманщика в эволюционной «гонке вооружений» — это самому стать еще более искусным обманщиком. Подобное соревнование между обманщиками в итоге может привести всю систему, основанную на кооперации, к полному краху. Однако в данном случае этого не произошло: штамм rccA остался вполне «честным» по отношению к AX4.

Более того, эксперименты со смешанными культурами, состоящими из равного количества амёб AX4 («диких»), chtC («обманщиков») и rccA («защищенных»), показали, что амёбы rccA защищают от обмана не только себя, но и диких амёб AX4 (хотя и в несколько меньшей степени). Присутствие амёб rccA каким-то образом мешает обманщикам chtC вытеснять амёб AX4 из выгодных позиций в плодовых телах. Ясно, что взаимопомощь честных штаммов открывает дополнительные возможности для борьбы с обманщиками.

Эксперимент по выведению амёб, защищенных от нахлебничества, был повторен еще шесть раз с другими выборками амёб-мутантов. Во всех случаях после шести циклов отбора из исходной тысячи мутантных штаммов оставался либо один, либо два устойчивых к нахлебничеству со стороны chtC. В трех случаях устойчивость развилась не за счет исходной вставки плазмиды, а за счет каких-то других мутаций, возникших спонтанно уже в ходе эксперимента. Чтобы это установить, ученые определяли, куда вставилась плазмида у данного устойчивого штамма, а затем встраивали плазмиду в ту же самую точку генома амёбам из исходной линии AX4. Если после такой операции амёбы не приобретали способность сопротивляться нахлебникам, значит эта способность возникла в результате других мутаций. Каких именно — авторы не выяснили (это очень сложно технически).

Три из семи исследованных устойчивых штаммов сами стали обманщиками по отношению к chtC, а один научился обманывать также и исходный «дикий» штамм AX4. Прочие остались честными.

Исследование показало, что вероятность появления мутаций, обеспечивающих защиту от нахлебников, у диктиостелиума весьма высока. Присутствие нахлебников способствует распространению защитных мутаций. Это должно приводить к эволюционной «гонке вооружений» между обманщиками и честными амёбами: первые совершенствуют средства обмана, вторые — средства защиты. Для того чтобы защититься от обманщиков, амёбы не обязаны сами становиться обманщиками. Это способствует сохранению кооперации. Молекулярные механизмы обмана и защиты от него пока остаются неизвестными, но скорее всего они связаны с системами межклеточной коммуникации и взаимного узнавания.

 Источник: Anupama Khare, Lorenzo A. Santorelli, Joan E. Strassmann, David C. Queller, Adam Kuspa, Gad Shaulsky.Cheater-resistance is not futile // Nature. Advance online publication 30 September 2009.