Dictyostelium discoideum

Dictyostelium discoideum
Научная классификация
Домен: Эукариоты Клада: Амёбозои Тип: Evosea Инфратип: Миксомикота Класс: Диктиостелиевые слизевики (Dictyosteliomycetes D.Hawksw. et al., 1983) Порядок: Диктиостелиевые Семейство: Dictyosteliaceae Род: Dictyostelium Вид: Dictyostelium discoideum
Международное научное название
Dictyostelium discoideum Raper, 1935
Изображения на Викискладе NCBI   44689 EOL   197896 MB   263306

Dictyostelium discoideum (диктиостелиум) — клеточный слизевик, относящийся к типу Mycetozoa. Описанный в 1935 году, диктиостелиум вскоре стал одним из важных модельных организмов в клеточной биологии, генетике и биологии развития. Большую часть времени диктиостелиум проводит в виде одиночных почвенных амёб, однако при определённых условиях амёбы образуют подвижные агрегаты, а затем многоклеточные плодовые тела сложного строения. Происходящие при этом процессы межклеточной сигнализации, клеточной дифференцировки, морфогенеза и др. позволяют использовать его в качестве модельного объекта. Интересная особенность диктиостелиума — его трёхполость^[1].

Местообитания и питание

В природе D. discoideum обитает в почве и подстилке (влажном листовом опаде). Одиночные амёбы D. discoideum питаются в основном бактериями. Распространён D. discoideum в смешанных и широколиственных лесах умеренного пояса^[2].

Если пищи не хватает, амёбы слипаются вместе и мигрируют туда, где среда благоприятнее. Там они распадаются на отдельные клетки. Перед миграцией амёбы не съедают все доступные бактерии, а берут с собой их запасы. На новом месте они рассеивают их, создавая запасы пищи^[3][4][5].

Жизненный цикл

Споры D. discoideum высвобождаются из зрелых плодовых тел и разносятся ветром. При достаточно высокой влажности и температуре из спор выходят миксамёбы — одноклеточная стадия развития диктиостелиума. При достаточной влажности и наличии пищи они питаются и делятся митозом. Миксамёб привлекает выделяемая бактериями фолиевая кислота.

При исчерпании пищи начинается агрегация миксамёб. На этой стадии в клетках миксамёб экспрессируются специфические гликопротеиды и аденилатциклаза^[6]. Гликопротеиды обеспечивают межклеточную адгезию, аденилатциклаза синтезирует цАМФ. цАМФ, секретируемый в среду, служит, как и у бактерий, сигналом «клеточного голода». У диктиостелиума цАМФ также является хемоаттрактантом для голодных миксамёб. Несколько случайно оказавшихся рядом и «склеившихся» первыми миксамёб служат центром, к которому привлекаются и ползут со всех сторон голодные миксамёбы. Соединяясь с помощью молекул клеточной адгезии, они образуют агрегат из нескольких десятков тысяч клеток.

Изначально плоский агрегат совершает сложные движения, приподнимается над субстратом, а затем ложится на бок и превращается в мигрирующего «слизня» — подвижный псевдоплазмодий длиной 2—4 мм. Псевдоплазмодий мигрирует всё время одним концом вперёд, и в его составе начинается дифференцировка клеток; часть клеток на переднем конце образуют полисахаридную оболочку (псевдоплазмодий мигрирует сквозь неё, и часть её остаётся на субстрате как слизистый след)^[7]. Псевдоплазмодий движется по направлению к свету, более высокой температуре и большей сухости воздуха^[7]. цАМФ и вещество, известное как фактор индукции дифференцировки (DIF), стимулируют дальнейшую дифференцировку и формирование нескольких типов клеток^[7]. На переднем конце псевдоплазмодия оказываются клетки — предшественницы стебелька плодового тела, а на заднем — клетки — предшественницы спор. После окончания миграции в подходящих условиях клетки псевдоплазмодия совершают сложные перемещения и формируют соответствующие части плодового тела^[7]. «Сходные с передними» (аnterior-like) клетки, открытые сравнительно недавно, распределены по задней половине тела псевдоплазмодия; эти клетки формируют подставку (самую нижнюю часть плодового тела)^[7].

После остановки псевдоплазмодия за счёт перемещения клеток формируются «стадия сомбреро», а затем начинается кульминационная фаза формирования плодового тела.

В ходе этой фазы передние и задние клетки псеводплазмодия меняются местами^[7]. Передние клетки «сомбреро» формируют целлюлозные клеточные стенки и собираются в полый трубчатый стебелёк, по наружной поверхности которого клетки — предшественницы спор мигрируют вверх, а остальные клетки — предшественницы стебелька — вниз^[7]. Полностью сформированное плодовое тело высотой 1—2 мм образуется через 8—10 часов после начала этой фазы^[7]. После созревания спор на его вершине споры рассеиваются, и цикл начинается снова.

Кроме описанной выше бесполой части цикла, в жизненном цикле диктиостелиума может присутствовать и половое размножение. Переход к половому размножению может запускаться подсыханием подстилки, где живут миксамёбы. Сливаясь, две миксамёбы разных типов спаривания образуют зиготу — «гигантскую клетку». У диктиостелиума три типа спаривания; в 2010 г. была расшифрована генетическая основа его «трёхполости»^[1][8]. Зигота начинает заглатывать окружающих миксамёб. Проглотив несколько сотен миксамёб, зигота выделяет толстую целлюлозную оболочку, формируя так называемую макроцисту. Макроциста делится сначала мейозом, а затем (много раз) митозом, формируя множество гаплоидных миксамёб. Выходя из-под оболочки макроцисты, они начинают питаться и размножаться бесполым путём. Таким образом, у D. discoideum жизненный цикл с зиготической редукцией (единственная диплоидная стадия — зигота). В лабораторных условиях половое размножение происходит крайне редко.

Использование в качестве модельного организма

Агрегация миксамёб D. discoideum связана с положительным хемотаксисом к цАМФ

Преимущества диктиостелиума как модельного объекта — относительно простое строение, небольшое число типов клеток, а также короткий жизненный цикл и простота выращивания в лабораторных условиях. При этом диктиостелиум сильно отличается от многоклеточных животных по характеру жизненного цикла и ходу морфогенеза плодовых тел и в то же время достаточно сходен с ними по выявленному набору генов и внутриклеточных сигнальных путей.

Основные направления исследований

Один из процессов, интенсивно изучавшихся на диктиостелиуме, — дифференцировка клеток, происходящая при образовании плодового тела. В частности, изучались факторы, влияющие на выбор клетками пути дифференцировки (в клетки стебелька или споры) в зависимости от положения в теле псевдоплазмодия, непосредственного окружения, времени от начала агрегации и других факторов^[9].

Хемотаксис у D. discoideum изучается на примере движения миксамёб по направлению к источнику секреции цАМФ. В секреции цАМФ и скорости передвижения миксамёб наблюдается цикличность с определённым периодом. Интересно, что использование цАМФ в качестве хемоаттрактанта не описано ни у одного другого организма^[7].

Апоптоз (программируемая клеточная смерть) в ходе нормального развития организма часто служит для обеспечения правильного взаимного расположения клеток и создания органов сложной формы. У D. discoideum в ходе образования плодового тела апоптоз претерпевают около 20 % клеток. Это клетки — предшественницы стебелька, которые во время формирования стебелька секретируют целлюлозную оболочку, а затем формируют крупные вакуоли и вытягиваются, вынося вверх клетки — предшественницы спор. Затем клетки стебелька гибнут путём апоптоза^[10]. У диктиостелиума заметно меньшее число белков участвует в регуляции апоптоза, чем у позвоночных.

В последние годы на диктиостелиуме интенсивно изучаются и другие механизмы клеточной смерти — путём аутофагии и некроза^[11].

Также на диктиостелиуме активно изучаются процессы, происходящие в клеточном ядре. С помощью новых техник визуализации активности генов было показано, что транскрипция у D. discoideum происходит «вспышками», или «импульсами»^[12]. В дальнейшем выяснилось, что такой импульсный характер транскрипции характерен для всех организмов: от бактерий до человека. Набор ферментов репарации у диктиостелиума и у человека очень сходен, и это позволяет изучать на такой простой модели последствия мутаций генов системы репарации, которые у человека нередко связаны с опухолевой трансформацией клеток^[13].

Существенно продвинуть исследования генетических механизмов регуляции у диктиостелиума позволит недавно разработанная технология воздействия на его гены с помощью CRISPR/Cas9 геномных модификаций^[14]

Культивирование в лаборатории

Систематическое положение и филогения

Геном

См. также

• Суперорганизм
• Популяционные автоволны

Примечания

1. Расшифрованы генетические основы трёхполости у общественной амёбы Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine (рус.) (Дата обращения: 27 февраля 2011)
2. Eichinger L. 2003. Crawling in to a new era — the Dictyostelium genome project. EMBO Journal 22(9):1941—1946
3. Биологи открыли сельское хозяйство у амёб Архивная копия от 22 февраля 2011 на Wayback Machine (рус.) (Дата обращения: 27 февраля 2011)
4. Primitive agriculture in a social amoeba Архивная копия от 16 февраля 2011 на Wayback Machine (англ.) (Дата обращения: 27 февраля 2011)
5. Slime moulds prosper on the microfarm Архивная копия от 21 февраля 2011 на Wayback Machine (англ.) (Дата обращения: 27 февраля 2011)
6. Gilbert S. F. 2006. Developmental Biology. 8th ed. Sunderland (MA):Sinauer p. 36—39
7. Tyler M. S. 2000. Developmental Biology: A guide for experimental study. 2nd ed. Sunderland (MA): Sinauer. p. 31—34. ISBN 0-87893-843-5
8. Gareth Bloomfield, Jason Skelton, Alasdair Ivens, Yoshimasa Tanaka, Robert R. Kay. Sex Determination in the Social Amoeba Dictyostelium discoideum // Science. 2010. V. 330. P. 1533—1536
9. Kay R. R., Garrod D., and Tilly R. 1978. Requirements for cell differentiation in Dictyostelium discoideum. Nature 211:58—60
10. Gilbert S. F. 2006. Developmental Biology. 8th ed. Sunderland (MA): Sinauer. p. 36—39. ISBN 0-87893-250-X
11. Giusti C., Kosta A., Lam D., Tresse E., Luciani M. F., Golstein P. Analysis of autophagic and necrotic cell death in Dictyostelium. Methods Enzymol. 2008;446:1—15.
12. J. R. Chubb, T. Trcek, S. M. Shenoy and R. H. Singer Transcriptional pulsing of a developmental gene, Curr Biol 16 (2006) 1018—25.
13. Hudson, J. J., Hsu, D. W., Guo, K., Zhukovskaya, N., Liu, P. H., Williams, J. G., Pears, C. J. and Lakin, N. D. (2005). DNA-PKcs-dependent signaling of DNA damage in Dictyostelium discoideum. Curr Biol 15, 1880—5
14. Ryoya Sekine, Takefumi Kawata & Tetsuya Muramoto (2018). CRISPR/Cas9 mediated targeting of multiple genes in Dictyostelium. Scientific Reports, 8, Article number: 8471 doi:10.1038/s41598-018-26756-z

Ссылки

Морфогенез на примере Dictyostelium discoideum