Исследование обнаружило широко распространенный «клеточный каннибализм» и связанные с ним явления на древе жизни

В новом обзорном документе Карло Мэйли и его коллеги из Университета штата Аризона описывают феномен «клетка в клетке», при котором одна клетка поглощает, а иногда и поглощает другую. Исследование показывает, что случаи такого поведения, включая клеточный каннибализм, широко распространены на древе жизни.

Полученные данные бросают вызов общепринятому мнению о том, что события «клетка в клетке» в основном ограничиваются раковыми клетками. Скорее всего, эти события, по-видимому, являются общими для самых разных организмов, от одноклеточных амеб до сложных многоклеточных животных.

Широкое распространение таких взаимодействий в нераковых клетках предполагает, что эти события по своей сути не являются «эгоистичным» или «раковым» поведением. Скорее, исследователи предполагают, что явления «клетка в клетке» могут играть решающую роль в нормальном развитии, гомеостазе и реакции на стресс у широкого круга организмов.

В исследовании утверждается, что следует отказаться от нацеливания на межклеточные события как от подхода к лечению рака, поскольку эти явления не являются уникальными для злокачественных опухолей.

Демонстрируя, что явления охватывают широкий спектр форм жизни и глубоко укоренены в нашей генетической структуре, исследование предлагает нам пересмотреть фундаментальные концепции клеточного сотрудничества, конкуренции и сложной природы многоклеточности. Исследование открывает новые возможности для исследований в области эволюционной биологии, онкологии и регенеративной медицины.

Исследование, опубликованное в Научные отчеты, является первым, кто систематически исследует межклеточные явления на древе жизни. Результаты группы могут помочь пересмотреть понимание клеточного поведения и его последствий для многоклеточности, рака и эволюционного пути самой жизни.

«Мы впервые взялись за эту работу, потому что узнали, что клетки не просто конкурируют за ресурсы — они активно убивают и поедают друг друга», — говорит Мэйли. «Это увлекательный аспект экологии раковых клеток. Но дальнейшие исследования показали, что эти явления происходят в нормальных клетках, и иногда ни одна клетка не умирает, что приводит к совершенно новому типу гибридных клеток».

Мэйли — исследователь Центра биодизайна биокомпьютеров, безопасности и общества; профессор Школы естественных наук АГУ; и директор Центра эволюции рака в Аризоне.

Исследование проводилось в сотрудничестве с первым автором Стефанией Э. Капсетаки, ранее работавшей в АГУ, а теперь исследователем в Университете Тафтса, и Луисом Сиснеросом, ранее работавшим в АГУ, а в настоящее время исследователем в клинике Майо.

От эгоистичных к кооперативным клеточным взаимодействиям

Межклеточные события наблюдаются уже давно, но остаются плохо изученными, особенно вне контекста иммунных реакций или рака. Самые ранние гены, ответственные за поведение клеток в клетках, появились более 2 миллиардов лет назад, что позволяет предположить, что эти явления играют важную, хотя и еще не выясненную, роль в живых организмах. Понимание разнообразных функций межклеточных событий, как в нормальной физиологии, так и при заболеваниях, важно для разработки более эффективных методов лечения рака.

Обзор углубляется в возникновение, генетическую основу и историю эволюции межклеточных явлений, проливая свет на поведение, которое когда-то считалось аномалией. Исследователи просмотрели более 500 статей, чтобы каталогизировать различные формы межклеточных явлений, наблюдаемых на древе жизни.

В исследовании описаны 16 различных таксономических групп, в которых обнаружено поведение «клетка в клетке». Межклеточные события были классифицированы на шесть различных категорий в зависимости от степени родства между клетками-хозяинами и жертвами, а также результата взаимодействия (выжила ли одна или обе клетки).

В исследовании выделен спектр межклеточного поведения: от полностью эгоистичных действий, когда одна клетка убивает и поглощает другую, до более кооперативных взаимодействий, когда обе клетки остаются живыми. Например, исследователи обнаружили доказательства «гетероспецифического убийства», когда клетка поглощает и убивает клетку другого вида, у широкого спектра одноклеточных, факультативно многоклеточных и облигатных многоклеточных организмов. Напротив, «конспецифическое убийство», когда клетка поглощает другую клетку того же вида, было менее распространенным явлением и наблюдалось только в трех из семи исследованных основных таксономических групп.

Облигатные многоклеточные организмы – это те, которые должны существовать в многоклеточной форме на протяжении всего жизненного цикла. Они не могут выжить или функционировать как отдельные клетки. Примеры включают большинство животных и растений. Факультативные многоклеточные организмы — это организмы, которые могут существовать как в виде одиночных клеток, так и в многоклеточной форме в зависимости от условий окружающей среды. Например, некоторые виды водорослей в одних условиях могут жить в виде одиночных клеток, а в других — образовывать многоклеточные колонии.

Команда также задокументировала случаи межклеточных явлений, когда клетки-хозяева и жертвы оставались живыми после взаимодействия, предполагая, что эти события могут выполнять важные биологические функции, помимо простого убийства конкурентов.

«Наша классификация явлений «клетка в клетке» на древе жизни важна для лучшего понимания эволюции и механизма этих явлений», — говорит Капсетаки. «Почему и как именно они происходят? Это вопрос, который требует дальнейшего исследования на миллионах живых организмов, включая организмы, в которых явления «клетка в клетке», возможно, еще не были обнаружены».

Древние гены

Помимо каталогизации разнообразного поведения клеток в клетках, исследователи также исследовали эволюционное происхождение генов, участвующих в этих процессах. Удивительно, но они обнаружили, что многие ключевые гены «клетка в клетке» появились задолго до эволюции облигатной многоклеточности.

«Когда мы смотрим на гены, связанные с известными межклеточными механизмами у видов, которые очень давно отошли от человеческого происхождения, оказывается, что человеческие ортологи (гены, которые произошли от общего предкового гена) обычно связаны с нормальные функции многоклеточного организма, такие как иммунный надзор», — говорит Сиснерос.

Всего было идентифицировано 38 генов, связанных с явлениями «клетка в клетке», и 14 из них возникли более 2,2 миллиарда лет назад, предшествуя общему предку некоторых факультативно многоклеточных организмов. Это говорит о том, что молекулярный механизм клеточного каннибализма развился до основного перехода к сложной многоклеточности.

Древние гены «клетка в клетке», выявленные в ходе исследования, участвуют в различных клеточных процессах, включая межклеточную адгезию, фагоцитоз (поглощение), внутриклеточное уничтожение патогенов и регуляцию энергетического обмена. Такое разнообразие функций указывает на то, что межклеточные события, вероятно, играли важную роль даже в одноклеточных и простых многоклеточных организмах задолго до появления сложной многоклеточной жизни.