Источник: Tong, K., Datta, S., Cheng, V. et al. Genome duplication in a long-term multicellularity evolution experiment. Nature 639, 691–699 (2025)
Эволюционный эксперимент MuLTEE показал, что если день за днём отбирать дрожжи, фокусируясь на их размерах, у них удваивается набор хромосом, и это свойство закрепляется в дальнейших поколениях. При этом, как только подобное давление отбора прекратилось, следом за ним из популяции дрожжей исчезла и тетраплоидность.
В 2018 году коллектив учёных из Технологического института Джорджии, вдохновившись эволюционным экспериментом Ричарда Ленски, начал MuLTEE (Multicellularity Long Term Evolution Experiment), долговременный эволюционный эксперимент над пекарскими дрожжами. В качестве модельного организма учёные использовали специфическую линию пекарских дрожжей, которую вывел руководитель эксперимента, Уильям Рэтклифф — они отличаются от обычных тем, что активно «кучкуются», сбиваются в крупные кластеры.
Геном дрожжей был самым первым расшифрованным геномом из всех эукариот. Помимо изученности и наличия ядра дрожжи имеют и другие достоинства: простоту в разведении, а ещё — и это, вероятно, самое главное — умение формировать кластеры клеток. У простых скоплений дрожжевых клеток нет всех тех особенностей, которые кажутся нам присущими для всех многоклеточных, например разделения на разные ткани и дифференциации клеток на разные типы, выполняющие разные функции. Тем не менее, саму по себе способность формировать кластеры группа Рэтклиффа рассматривает как возможную основу для развития самого настоящего многоклеточного организма. В частности оттого, что к 2023 году они научили колонии своих дрожжей разрастаться в десятки тысяч раз — настолько, что их можно разглядеть невооруженным глазом.
«Тут стоит сказать даже так, — уточняет Анна Кудрявцева, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики МФТИ, — авторы говорят о “многоклеточном” размере применительно к дрожжам. И перспективности метода, которым они добиваются этого макроскопического размера, для изучения появления многоклеточности».
Авторы выделяют два типа колоний дрожжей по форме — колонии-пончики и расползающиеся колонии. Не смотря на то, что пончики меньше, именно они вырастают до самых больших кластеров, видных невооружённым глазом (внизу слева)
Источник: Tong, K., Datta, S., Cheng, V. et al. Genome duplication in a long-term multicellularity evolution experiment. Nature 639, 691–699 (2025)
Дрожжи в эксперименте отличаются от обычных пекарских тем, что у них отключён ген ACE2, связанный со способностью отрываться от материнской клетки после деления. Таким образом экспериментальные дрожжи скоро формируют звёздообразные скопления, которые исследователи называют «снежинками». Дрожжи выращивались в трех различных метаболических условиях: миксотрофных (PM), анаэробных (PA) и аэробных. Ежедневно проводился отбор на быстрое оседание, чтобы отделить тяжёлые кластеры от лёгких отдельных клеток.
Так проводится отбор на оседание
Источник: Bozdag, G.O., Zamani-Dahaj, S.A., Day, T.C. et al. De novo evolution of macroscopic multicellularity. Nature 617, 747–754 (2023)
У дрожжей нередка полиплоидия, то есть увеличение копий генома. Например у человека большинство клеток диплоидные, то есть содержат в ядре двойной набор хромосом, 46. Объектом интереса учёных у дрожжей стала тетраплоидность, при которой набор хромосом четверной — в случае дрожжей это 64 хромосомы.
В диких популяциях дрожжей тетраплоидность — обычное явление. Кратное увеличение числа копий хромосом приводит к увеличению и размеров клеток, ведь вдвое больший набор хромосом — это вдвое больше генов и их продуктов. Но тетраплоидность дрожжей считалась частностью, просто случайным событием. Эксперимент показал, что это не так.
В ходе MuLTEE учёные регулярно секвенировали геном дрожжей. Довольно быстро — на 50 день — оказалось, что во всех экспериментальных популяциях полиплоидность возобладала и закрепилась. А на момент написания статьи она существовала уже 1000 дней, что равно 5000 поколений дрожжей. Вместе с тем увеличился и размер клеток, и размер многоклеточных кластеров-снежинок. Кластеры анаэробных популяций даже достигли макроскопических размеров, то есть стали различимы невооружённым глазом.
Оригинальные дрожжи (t0) и их потомки через 1000 дней (t1000), жившие в миксотрофных (PM) и анаэробных условиях (PA). Два верхних ряда — снимки кластеров (масштабная линейка = 200 мкм), нижние, соответственно, клеток (масштабная линейка = 10 мкм).
Далее учёные проверили, насколько тетраплоидия связана с увеличением размеров кластеров, и провели эксперименты с обратным отбором. Они выращивали дрожжи в условиях, не благоприятствующих росту больших кластеров, и обнаружили, что тетраплоидия не возникла, или вовсе пошла на спад там, где была. А значит, умножение набора хромосом — явно значимый признак для увеличения размеров клеток, и закрепившийся в популяции, несмотря на нестабильность, то есть высокую частоту мутаций, связанную с полиплоидией.
Другим открытием стало широкое распространение анеуплоидности. Анеуплоидность — это неправильный набор хромосом, когда какой-то хромосомы не хватает, или присутствует лишняя. У человека подобные мутации обычно приводят к заболеваниям, например синдрому Дауна (нерасхождение в 21-й паре хромосом).
Анеуплоидные дрожжи увеличивались в размерах от поколения к поколению еще стремительнее — как на уровне клеток, так и кластеров. Эксперименты с обратной эволюцией снова показали, что анеуплоидия исчезала при уменьшении кластеров и появлялась при их увеличении. Из этого исследователи делают вывод, что анеуплоидия — это не просто краткосрочная реакция на изменившиеся условия, как считалось ранее. Соответственно, даже такие сложные изменения хромосомного набора могут оставаться стабильными на протяжении тысяч поколений.
Полиплоидия и анеуплоидия, таким образом — это не только временные, нештатные и нежелательные состояния генома, но и признаки, которые повышают приспособленность в условиях отбора. Теперь участники MuLTEE намерены выяснить, как анеуплодилия может влиять на форму и структуру дрожжевых кластеров, и как именно «снежинки» реализуют преимущества, предоставляемые им удвоением генома и копированием отдельных хромосом.
