ИСТИНА

Базовой характеристикой многоклеточности является пространственное сосуществование разных типов клеток, реализующих разную функцию на основе единой генетической программы. Феномен настоящей многоклеточности возникал независимо в ходе эволюции у предков животных, грибов, наземных растений, зеленых, красных и бурых водорослей, свидетельствуя о базовых эволюционных преимуществах такого перехода. В отличие от временных клеточных агрегатов у колониальных одноклеточных эукариот, настоящие многоклеточные формы являются клональными (реализуются на основе генома единой родительской клетки) и поддерживают целостность колонии на счет клеточной дифференцировки в ходе развития. Стабильность и координация такой дифференцировки необходимы для слаженного и эффективного соисполнения функций отдельными клетками и избегания ущерба выживанию и целостности всего организма при эксплуатации его типами клеток с измененной программой развития, как происходит в случае раковых клеток. Сегодня достоверно установлено, что основные семейства генов, необходимые для настоящей многоклеточности, возникали уже у предковых одноклеточных форм и определили предпосылки для реализации базовых клеточных функций в пространственно-стабильной колонии: межклеточная адгезия, коммуникация и трансдифференцировка (способность к смене дискретного функционального морфотипа в ходе жизни отдельной клетки). Это наблюдение определяет базовую связь между молекулярными основами клеточной дифференцировки и ее управлением у современных многоклеточных и механизмами перехода к постоянной многоклеточности, и делает сравнительно-эволюционный анализ клеточных типов основой изучения этих процессов. В 2020 г. опубликованы первые систематические исследования с охватом основных групп животных (Metazoa, «многоклеточные» в традиционном понимании), совмещающие изучение эволюции генных семейств со сведениями о структуре генома и составе транскрипции. Было показано, что большинство генных семейств появилось или дуплицировалось на уровне общего предка животных, и – в меньшей степени – на уровне отдельных крупных таксонов, а основным трендом является массовая систематическая потеря генов, особенно – в пределах групп с наибольшим разнообразием морфологических форм, типов клеток и тканей (включая всех вторичноротых Bilateria). Этот факт означает, что эволюционный успех животных не связан с обогащением геномного репертуара, как считалось ранее, а предполагает иные, в первую очередь, регуляторные, механизмы возникновения, перенятия или смены функции у генов-потомков ограниченного набора предковых семейств – для формирования новых и трансформации предковых молекулярных систем. Развитие инструментов геномики одиночных клеток (single-cell genomics) сделало возможным исследовать экспрессию на уровне разрешения ген/клетка, формализовать и очертить молекулярно-генетическую основу «типа клетки» как элементарной биологической единицы в реализации программы «генотип – регуляция – фенотип». За короткое время получены большие объемы данных о составе клеточного транскриптома и определена структура генома у представителей ряда групп ключевого значения для понимания механизмов перехода к многоклеточности у животных, а значит, и изучения клеточной дифференцировки. Состав экспрессии выявил случаи сходства между морфологически разными типами клеток у эволюционно далеких родственников, и, в то же время – различия среди гистологически неразличимых популяций клеток в составе тканей, что породило гипотезы об эволюционном родстве отдельных типов клеток и высокой пластичности их реализации на сходной геномной основе. В 2021 г. численное сравнение сходства профилей экспрессии позволило построить первые схемы филогении типов клеток для основных эволюционных стволов животных из состава Planulozoa (Cnidaria, первичноротые и вторичноротые Bilateria). Реконструкции показали значительную гетерогенность традиционных клеточных морфотипов: нейрона, мышц (гладких и скелетных), эпителиев, эндотелиев, пролиферативных, стромальных и иммунных клеток. Было показано, что профили экспрессии только отчасти маркируют традиционные морфотипы, выявляют значительное число скрытых типов клеток, и разные морфотипы могут иметь сильные категории сходства между разными стволами животных. Нейрон и мышечные типы являются наиболее консервативными по составу экспрессии, т.е. наиболее сходны про программе клеточной дифференцировки, а наиболее вариабельными являются эндотелии и пролиферативные клетки. Это означает, что не все морфотипы являются потомками единых клеточных линий, и сходство некоторых морфотипов возникло независимо (имеет гомопластичную природу). Возникает потребность разделения понятия гомологичности на молекулярном и фенотипическом уровнях для интерпретации эволюционного родства: сходство геномной программы дифференцировки (состав активных генов и их регуляция) оказывается по значимости первично, сходство фенотипа – вторично. Современная теория клеточной дифференцировки должна объяснять наблюдение, что традиционные морфотипы могут оказываться неродственными генетически. Одним из таких обобщений может являться интерпретация типа клетки как «временно́й реализации» в онтогенезе части генома, определяющей конечный морфотип, в составе общей программы дифференцировки. Такая интерпретация объясняет наблюдаемую схожесть сценариев эволюции клеточных типов и генных семейств через аналогичные события дупликаций, возникновений и мозаичной утраты в ходе видовой эволюции (эволюции генома зародышевой линии). Такие «временны́е реализации» являются базовыми единицами отбора на клеточном уровне, что предполагает возможность появления независимого сходства морфотипов в ходе адаптивной эволюции, например, в результате конвергенции. Дальнейшее накопление сведений и формирование теории происхождения клеточных типов будут иметь решающее значение для понимания предпосылок и механизмов перехода к постоянной колониальности.