XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Использование в биологических и медицинских исследованиях модельных организмов, отличных от человека, долгое время являлось причиной ряда проблем, возникающих при изучении сложных биологических процессов. Все изменилось с появлением методов секвенирования, благодаря которым удалось расшифровать геномы многих видов растений и животных и доказать общность их происхождения. В качестве модельных организмов биологами-исследователями все чаще используются простые виды животных, одним из которых является диктиостелиум.

Первым полностью секвенированным геномом свободноживущих простейших считается геном почвенной амебы Dictyostelium discoideum. Работа по расшифровке генома была завершена и опубликована в 2005 году. Ученым стало известно, что D. discoideum является гаплоидным организмом. Геном диктиостелиума размером 34 Mb содержит шесть хромосом, которые кодируют 12 500 белков. Дальнейшее изучение показало, что в геноме содержится много тандемных повторов, которые соответствуют повторяющимся последовательностям аминокислот и увеличиваются за счет расширения нуклеотидов [1]. Механизм возникновения многих заболеваний человека, связанных с аминокислотными повторами, сходен с таковым у D. discoideum. Изучение способности клеток Dictyostelium discoideum переносить эти повторы, поможет понять, как бороться с таковыми болезнями у человека.

Dictyostelium discoideum — клеточный слизевик, относящийся к типу Mycetozoa. Представители дикого типа Dictyostelium являются почвенными амебами, преимущественно живущими в лесном детрите вместе с большим количеством бактерий, обеспечивающими данному организму рост [2]. Диктиостелиум считается одним из самых важных модельных организмов в молекулярной биологии, генетике и биологии клетки. Dictyostelium discoideum используется в качестве модельного объекта в исследованиях клеточной подвижности, хемотаксиса, фагоцитоза, межклеточной адгезии, независимой гибели клеток и многих других, касающихся вопроса развития клеток и протекания в них биологических процессов [3]. Известно также, что Dictyostelium discoideum считается успешной генетической и клеточной моделью для изучения взаимодействий хозяин-патоген и механизма возникновения микробных инфекций.

Уникальность Dictyostelium discoideum как модельного организма состоит в том, что деление и развитие клеток у диктиостелиума полностью не связаны. Переход от одноклеточной к многоклеточной стадии у организма осуществляется в течении жизненного цикла. Это дает возможность исследователям изучать рост и развитие клеток диктиостелиума отдельно друг от друга, что позволяет проводить больше лабораторных экспериментов.

Основная часть

Dictyostelium discoideum имеет относительно простое строение, небольшое число типов клеток, а также обладает коротким жизненным циклом, что делает данный организм простым и довольно неприхотливым при выращивании в лаборатории. Способность данного организма легко культивироваться делает его еще более привлекательным в качестве модельного объекта. Dictyostelium discoideum может расти на жидкой среде, но чаще организм культивируют в чашках Петри, содержащих питательный агар, в который добавляют пептон и дрожжевой экстракт для более успешного роста культуры. Диктиостелиум лучше всего растет при температуре 22–24 ° C. Важно также соблюдать определенные показатели влажности, давления и pH в лаборатории, так как образующиеся в процессе роста культуры плодовые тела очень чувствительны к воздушным потокам и физическим раздражителям [4].

Колония D. discoideum на начальном этапе развития, в процессе роста и вплоть до образования агрегатов представляет собой популяцию единичных амебоидных клеток, способных к активному перемещению по твердому субстрату. D. discoideum питается в основном кишечной палочкой, которая подходит для всех стадий жизненного цикла. Когда поступление пищи уменьшается, миксамебы объединяются с образованием псевдоплазмодий, при этом клетки секретируют циклический аденозинмонофосфат и хемотаксически реагируют на него. Несколько тысяч клеток взаимодействуют в одном агрегате, словно единый организм и мигрируют по субстрату в поисках благоприятных условий среды. Подобно эмбрионам животных, каждый такой «организм» имеет эмбрионального организатора, который регулирует поведение клеток, их формирование и развитие. Большая часть клеток в дальнейшем морфологически дифференцируется в споры, а остальные станут основой плодового тела [2]. Этот сложный жизненный цикл подчеркивает уникальность D. Discoideum как модельного организма.

Dictyostelium discoideum был и остается главным модельным организмом при изучении хемотаксиса эукариот и других процессов, связанных с подвижностью клеток. Хемотаксис у D. discoideum изучается в частности для понимания того, как различные сигнальные сети связаны друг с другом и каким образом они влияют на движение клеток. При выделении циклического аденозинмонофосфата меняется скорость передвижения миксамеб, причем процесс секреции происходит циклично с определенным периодом времени. В ходе исследования было выяснено, что у D. discoideum амеба выделяет сигнал цАМФ из клетки, вызывая тем самым у других клеток потребность в данном веществе. Каждая отдельная амеба движется к центральной, которая продолжает секретировать цАМФ. Затем клетки D. discoideum начинают объединяться в агрегаты. Данный механизм хемотаксиса считается уникальным среди всех организмов. Изучение этого процесса позволяет понять возникновение у людей воспалений, артрита, астмы, перемещения лимфоцитов, так как дифференцировка клеток, происходящая в ходе жизненного цикла Dictyostelium discoideum, лежит в основе эмбриогенеза многих организмов [4].

На основе жизненного цикла Dictyostelium discoideum исследователями изучается явление апоптоза – запрограммированной гибели клеток. В ходе нормального развития этот процесс служит для обеспечения правильного формирования клеток и создания сложных органов. У диктиостелиума в процессе жизненного цикла апоптоз претерпевают клетки, из которых затем в ходе развития организма образуются плодовые тела. Предстеблевые клетки Dictyostelium discoideum, способные секретировать целлюлозную оболочку, по мере того, как они развиваются образуют вакуоли, увеличиваются в размерах. Клетки стебля в это время претерпевают апоптоз и погибают, а предспоровые клетки поднимаются над субстратом, становятся споровыми. Таким образом, D. discoideum использует процесс программируемой гибели клеток для формирования репродуктивного органа и зрелого плодового тела [5]. Изучение процесса апоптоза позволяет понять, как происходит перерождение клеток организма из одного вида в другой и как данный механизм влияет на возникновение ряда заболеваний, связанных с изменением клеток и тканей.

Как модельный организм Dictyostelium discoideum используется при изучении взаимодействий хозяин-патоген. Известно, что D. discoideum является хозяином для бактерий рода Legionella, способных вызывать заболевание, называемое болезнью легионеров. Диктиостелиум считается удачным модельным объектом при изучении механизма заражения [6]. Исследования возбудителя Legionella pneumophila показали, что для развития патогена в организме ему необходимы наличие актинового цитоскелета, эндоплазматического ретикулума, митохондрий и механизмов эндолизосомного движения. Изучая D. discoideum как модельный организм, было выяснено, что строение цитоскелета, митохондрий и протекание некоторых клеточных процессов, в частности фагоцитоза, мембранного транспорта и эндоцитоза, сходно с таковыми у млекопитающих. Исследования взаимодействия бактерий рода Legionella с Dictyostelium discoideum привели к идентификации различных признаков как факторов вирулентности, что позволило использовать D. discoideum в качестве модельного объекта для изучения механизмов взаимодействия хозяин-патоген [3].

Вывод

Dictyostelium discoideum один из самых успешных модельных организмов, используемых в различных отраслях исследований. Диктиостелиум считается одним из самых важных модельных организмов в молекулярной биологии, генетике и биологии клетки. Dictyostelium discoideum используется в качестве модельного объекта в исследованиях клеточной подвижности, хемотаксиса, фагоцитоза, межклеточной адгезии, независимой гибели клеток и многих других, а также D. discoideum считается успешной генетической и клеточной моделью для изучения взаимодействий хозяин-патоген и механизма возникновения микробных инфекций.

Список литературы:

Eichinger L., Noegel A. A. Crawling in to a new era – the Dictyostelium genome project // The EMBO. – 2003. - Vol 22. - № 9. – P. 1941–1946.

Kessin, R.H. Dictyostelium - Evolution, cell biology, and the development of multicellularity // Cambridge University Press. – 2001.

Bozzaro, S. The past, present and future of Dictyostelium as a model system // Department of Clinical and Biological Sciences. 2019. - №63 – P. 321 – 331.

Tyler, M.S. Developmental Biology: A guide for experimental study // Sunderland (MA): Sinauer. – 2000. - P. 31-34.

Gilbert, S.F. Developmental Biology // 8th ed. Sunderland (MA): Sinauer. - 2006. - P. 36 - 39.

Bruhn, H. Dictyostelium, a tractable model host organism for Legionella // Legionella: Molecular Microbiology. Academic Press. - 2008. – P. 125 – 152.