Новости

Прокариотические одноклеточные организмы, предки современных бактерий и архей,  самая древняя форма жизни на нашей планете, впервые появившаяся примерно 3,5 миллиарда лет назад.    Первые эукариотические клетки появились примерно 1-1,5 миллиарда лет спустя. Однако с тех пор эукариотические клетки диверсифицировались во множество сложных многоклеточных организмов, которые мы видим вокруг себя каждый день - грибы, растения и животные, в то время как прокариоты оставались исключительно одноклеточными. За всю историю существования жизни на Земле многоклеточные морфологии развивались более 50 раз, причем как в про-, так и в эукариотических линиях. Действительно, некоторые прокариоты достигли версий многоклеточности - например, некоторые фотосинтезирующие цианобактерии разделены на 2 типа клеток, где один тип клеток осуществляет фотосинтез, а другой фиксирует азот. А миксобактерии формируют многоклеточные тела как часть своего сложного жизненного цикла. Многоклеточная цианобактерия Anabaena демонстрирует разделение труда на фотосинтезирующие клетки (зеленые) и азотфиксирующие гетероцисты (наконечники стрелок).Источник: Velázquez-Suárez C., et al./mSphere, 2020    Однако, несмотря на то, что некоторые прокариоты, ведя многоклеточный образ жизни, приблизились к сложной многоклеточности, ни одна прокариотическая линия не достигла сложной многоклеточности так, как это сделали эукариоты - несколько видов клеток работают вместе и организуются в более крупный организм. Действительно, сложная многоклеточность развивалась всего 5 раз, и всегда в пределах эукариот. Это наблюдение лежит в основе фундаментального вопроса эволюционной биологии: хотя прокариотические клетки имеют сложные клеточные структуры и поведение и у них было достаточно времени для развития сложной многоклеточности, они так и не сделали этого - почему?    Одна из теорий, почему только у эукариот развилась сложная многоклеточность, заключается в том, что только у эукариот развились свойства, необходимые для сложной многоклеточности. Эукариотические клетки отличаются от прокариотических по многим параметрам - они крупнее, имеют большее количество различных органелл и упакованное ядро. Разнообразие форм и функций эукариотических клеток также поражает воображение по сравнению с прокариотами. К ним относятся растительные клетки с жесткими стенками, вытянутые, шиповидные нейроны и реснитчатые клетки, выстилающие стенки нашего кишечника.    Для создания разнообразия форм и функций, наблюдаемого в эукариотических клетках, требуются особые механизмы - в частности, сложные средства генетической регуляции. В процессе развития клеткам должны быть отведены определенные роли. У эукариот ДНК в клетках плотно обернута вокруг белков, называемых гистонами, которые, в свою очередь, упакованы вместе в структуру, известную как хроматин. Считается, что именно такие механизмы регуляции дали эукариотам преимущество при эволюции в сложные многоклеточные организмы.     Модификации гистоновых белков регулируют экспрессию генов во время развития у всех животных, включая самых древних - губок. В 2017 году исследователи из Квинслендского университета в Австралии показали, что один из видов губок обладает чрезвычайно древним регуляторным механизмом, который встречается и у других животных, эволюционировавших гораздо позже. Губка Amphimedon queenslandica морфологически очень проста. Тем не менее, исследователи обнаружили регуляторные системы, которые важны для развития других, более сложных с морфологической точки зрения животных. Одна из них называется Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) - набор белков, которые могут изменять гистоны, чтобы заставить "замолчать" участки хроматина. PRC могут помочь клеткам достичь определенной формы и придерживаться ее, развиваясь в один и тот же вид клеток на протяжении всех циклов деления, что могло способствовать эволюции сложных многоклеточных организмов. Расширяя свой геном вы расширяете свою морфологию    Однако клеточные свойства - это еще не все. Новое исследование показало, что эволюция сложных многоклеточных организмов могла быть обусловлена невидимой, но мощной силой - генетическим дрейфом. Каждая популяция состоит из особей одного вида, но с вариантами определенных генов. Частота встречаемости различных вариантов генов может меняться под действием отбора, а также в результате случайного стечения обстоятельств. Генетический дрейф включает эти случайные изменения, влияние которых особенно сильно в небольших популяциях с меньшим эффективным размером популяции - числом особей, которые производят следующее поколение.    По мере того как отдельные клетки разделяются на группы клеток в процессе эволюции сложных многоклеточных организмов, размер популяции уменьшается, усиливая эффект генетического дрейфа. Важно отметить, что про- и эукариоты по-разному реагируют на дрейф. Геномы прокариот часто сокращаются перед дрейфом, отчасти из-за встроенной предрасположенности к удалению генов, в то время как у эукариот все происходит наоборот. У эукариот дрейф часто приводит к расширению генома, когда в геном добавляются целые участки ДНК. Прокариоты также могут накапливать гены в результате дрейфа, но обычно это псевдогены - участки ДНК, которые выглядят как гены, но на самом деле не кодируют белок.    Расширение генома может быть сильным фактором эволюции, поскольку оно расширяет генетическую песочницу, в которой можно поиграть в эволюционные новшества. Исследователи использовали в качестве примера цианобактерии - группу бактерий, у некоторых представителей которой простая многоклеточность развилась благодаря набору ключевых адаптаций. Они обнаружили сильную положительную корреляцию между количеством многоклеточных адаптаций и размером генома у почти 200 видов цианобактерий, что говорит о том, что большие геномы важны для многоклеточности у цианобактерий.    Помимо сильной положительной корреляции между многоклеточными адаптациями и размером генома, исследователи также обнаружили, что у многоклеточных цианобактерий более чем в два раза больше псевдогенов по сравнению с одноклеточными видами. Это свидетельствует о том, что их геномы, вероятно, подвергаются эрозии, вызванной дрейфом, в результате многоклеточной адаптации, что также ожидаемо для прокариотических организмов, таких как цианобактерии.    Хотя было предложено множество гипотез, до сих пор не совсем ясно, почему только у эукариот развилась сложная многоклеточность. Кроме того, неизвестно, является ли эрозия генома в результате дрейфа непреодолимым препятствием для эволюции многоклеточности у прокариот. В целом, мы все еще далеки от фундаментального понимания того, как и почему сложная многоклеточность развилась у эукариот, и какие особенности были наиболее важны для основных морфологических переходов. Однако эти вопросы остаются интересными для эволюционной биологии, поскольку ответы на них могут дать нам возможность заглянуть в события, предшествовавшие нашему собственному возникновению сотни миллионов лет назад.

Мужчина 72 лет с выраженным аортальным стенозом, приведшим к сердечной недостаточности, перенес операцию по замене аортального клапана и в первый послеоперационный день у него появилась лихорадка и легкая одышка.     Дополнительный анамнез включал болезнь почек в терминальной стадии, вызванную диабетической нефропатией, и трансплантацию почки за семь месяцев до этого, которая осложнилась замедленной функцией трансплантата, потребовавшей гемодиализа и иммуносупрессии. У пациента возникли подозрения на послеоперационную лихорадку или осложнение гемодиализа. Физикальное обследование не выявило инфекции ни в месте операции, ни в артериовенозной фистуле.    КТ грудной клетки выявила умеренный, локализованный левый плевральный выпот с ателектазом левой нижней доли и узелковыми уплотнениями в правом легком, что вызвало опасения по поводу пневмонии. Была взята биопсия бронха и гистопатологическое исследование показало наличие абсцесса, но микроорганизмы не были обнаружены. В это же время была получена культура из бронхиального отделяемого левого легкого. Через два дня у пациента появилось прогрессивно увеличивающееся поражение в области лба (изображение 1). Изображение 1. Прогрессивно увеличивающееся поражение лба. Микроскопическая оценка после биопсии поражения выявила организмы, морфологически соответствующие видам Nocardia. Лабораторная идентификация    Микроскопическая оценка биоптата поражения выявила ветвящиеся, бисерные грамположительные нитевидные бактерии, которые положительно окрашивались модифицированным кислотоустойчивым окрашиванием, что позволило предположить наличие видов Nocardia. Это было подтверждено бронхиальной культурой, в которой визуализировались аналогичные модифицированные кислотоустойчивые организмы и выросли мелкозернистые белые колонии, идентифицированные с помощью MALDI-TOF MS как Nocardia sp. (изображение 2). Изолят был направлен в референс-лабораторию для окончательного определения вида и тестирования на чувствительность к противомикробным препаратам и пациенту начали эмпирическую терапию цефтриаксоном и триметопримом/сульфаметоксазолом. Впоследствии анализ на видовую принадлежность и чувствительность идентифицировал микроорганизм как Nocardia brasiliensis с чувствительностью к цефтриаксону и триметоприму/сульфаметоксазолу, после чего лечение продолжалось в течение 40 дней. Изображение 2. Модифицированное кислотоустойчивое окрашивание бронхиальной культуры, полученной от пациента, показало наличие ветвящихся модифицированных кислотоустойчивых палочек, соответствующих Nocardia. Культуры из очага поражения и бронхиального смыва выявили белые, меловидные колонии на забуференном угольном агаре с дрожжевым экстрактом, характерные для Nocardia sp. Обсуждение    Nocardia - это сапрофитная бактерия, которая часто встречается в почве по всему миру. При окрашивании по Граму Nocardia sp. обычно обнаруживаются тонкие, слабо или неравномерно окрашивающиеся, бисерные, ветвящиеся грамположительные палочки. В настоящее время известно 130 видов Nocardia, из которых более 50 имеют клиническое значение. Известно, что заболевания, вызванные Nocardia, возникают при вдыхании возбудителя из окружающей среды или травматической инокуляции. Считается, что это оппортунистический патоген, чаще всего поражающий пациентов с ослабленным иммунитетом, как в данном случае.    Проявления нокардиоза сильно варьируются в зависимости от вида возбудителя, при этом наиболее распространенными являются лимфокожные, легочные или диссеминированные заболевания. В данном случае мы представляем пациента, у которого наблюдались как лимфокожная, так и легочная формы инфекции Nocardia. Хотя прогноз у пациентов с ослабленным иммунитетом хуже, при соответствующем лечении процент выздоровления высок как при лимфокожной, так и при легочной формах, в отличие от диссеминированного заболевания, при котором летальность составляет от 44% до 85%.    Диагностика инфекций, вызванных Nocardia, в основном осуществляется либо путем прямой визуализации организма, либо с помощью культуры. Модифицированное кислотоустойчивое окрашивание широко распространено, но имеет ограниченную чувствительность и обычно должно проводиться в сочетании с окрашиванием по Граму. Выделение культуры наиболее надежно из дыхательных путей и/или образцов тканей, в то время как культура крови, напротив, имеет более низкую результативность. Хотя некоторые штаммы, как у данного пациента, проявляются в течение нескольких дней в культуре, для выявления некоторых штаммов может потребоваться 2-3 недели, что требует длительной инкубации и консультации с клинической лабораторией.    Для лечения требуются длительные курсы антибиотиков. Чувствительность разных видов различается, поэтому важно провести видовую идентификацию, чтобы определить адекватную терапию и скорректировать эмпирическое лечение. Для дальнейшего подбора схемы лечения антибиотиками проводится тест на чувствительность. В данном случае пациента лечили комбинацией триметоприма/сульфаметоксазола и цефтриаксона, которые действуют на большинство клинически значимых видов Nocardia, пока анализ на чувствительность не показал, что эмпирическое лечение обеспечивает адекватное воздействие на выявленную Nocardia brasiliensis, что позволило продолжить выбранную эмпирическую схему.