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

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

Примечания

  1. ↑ 1 2 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. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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