Нашли предков всех эукариот

Нашли предков всех эукариот

// ДНК со дна моря даёт ключ к разгадке эволюции
Авторы: Юлия Кондратенко

В океане, на глубине 3 283 метра, между Гренландией и Норвегией учёные обнаружили фрагменты ДНК неизвестного организма. Когда изучили геном, выяснили, что это тот самый загадочный родоначальник всех живых существ с клеточным ядром. Всех многоклеточных животных и растений, а также амёб, прочих инфузорий и нас с вами.

Эукариоты — организмы, клетки которых содержат ядро: окружённое внутриклеточной мембраной генетическое вещество, ДНК. К эукариотам принадлежат все многоклеточные организмы. Некоторые из органелл эукариот произошли от когда-то приручённых прокариот, которые поселились прямо внутри более крупных эукариотических клеток. Такие внутриклеточные симбионты стали выполнять важные функции: митохондрии вырабатывают энергию, сжигая питательные вещества, а хлоропласты растений синтезируют углеводы, используя энергию солнечного света. 

Прокариоты — одноклеточные организмы, устроенные намного проще, чем эукариоты. Прокариоты — бактерии и археи. У них нет ядра и органелл, то есть всё содержимое клетки плавает в цитоплазме. Их ДНК устроена просто: она не делится на хромосомы (чаще всего ДНК замкнута в колечко).

Археи — одноклеточные организмы, отличающиеся и от бактерий, и от эукариот. Один из трёх главных доменов (высшая категория в систематике живых организмов). Не имеют ядра и мембранных органелл. Считаются самыми древними по происхождению из ныне живущих существ.

Клеточные мембраны — двойной слой липидных молекул с включёнными в него молекулами белков. Отделяют клетку от окружающей среды, ядро клетки — от цитоплазмы, клеточные органеллы — от других органелл. Кроме того, выполняют роль энергетических станций — в митохондриях и хлоропластах. В целом клеточные мембраны — главное, что позволило организмам стать многоклеточными.

«Первые эукариоты произошли от архей» — к такому выводу пришли учёные из Упсальского университета (старейший университет Швеции). Тийс Эттема с коллегами исследовали фрагменты ДНК, найденные в донных отложениях гидротермального источника Замок Локи. Фрагменты были намного короче всей ДНК организмов, которым они принадлежали, но поскольку кусочков было много и они перекрывались между собой, по ним удалось восстановить структуру ДНК их хозяев. Всего собрали три генома, один получился почти полным — получилось аккуратно восстановить 92% его ДНК. Обладатель этого генома был археем — простым одноклеточным организмом, ДНК которого не заключена в ядро, а свободно плавает в цитоплазме. Организмы получили название Lokiarcheum, сокращённо — Локи.

Эукариоты произошли от прокариот — в этом нет сомнений. Произошли очень давно, 1,5–2 млрд лет назад, на заре эволюции. Но как это получилось, откуда вдруг в одноклеточных организмах, похожих на примитивные бактерии, взялось ядро и множество других сложных структур? До сих пор это было не очень понятно. Предполагалось, что вся сложность от архей — поныне существующих одноклеточных, почти таких же, как бактерии, но очень древних, судя по строению молекулярных комплексов. Экспериментальных подтверждений этой гипотезе было совсем мало, к тому же оставался вопрос: есть ли общий предок у архей и эукариот, или когда-то археи сами мутировали и произвели клеточное ядро на нашу радость?

Образование ядра — ключевое событие всей эволюции. Наравне с ещё двумя: собственно происхождением жизни и появлением многоклеточных существ. Все три события — тайна, покрытая мраком миллиардов лет. Мы наблюдаем в реальном времени, как раскрывают одну из этих тайн. Захватывающе.

Итак, расшифровали ДНК организмов, поднятых со дна моря. Что дальше?

Большинство генов Локи оказались архейными, то есть прокариотическими. Но обнаружилось среди них и несколько генов, важных для эукариотических клеток и поддержания сложной жизни их внутренних мембран. Во-первых, это были гены актина — белка, который составляет внутренний скелет эукариотических клеток и заодно может служить «рельсами», по которым транспортируются мембранные пузырьки с запасами полезных молекул. Ещё актин необходим для фагоцитоза — захвата чужих клеток и их переваривания. У людей, например, это оружие иммунитета: фагоциты захватывают бактерии и уничтожают их. А два миллиарда лет назад такого не было, но актин мог пригодиться на следующей ступеньки эволюции: большие одноклеточные захватили навсегда бактерий, интегрировали их (буквально) и сделали из них митохондрии —  важнейшую часть всех клеток, которая производит энергию.

Локи перевернул представления учёных о развитии жизни, потому что раньше сложные манипуляции с мембранами считались прерогативой эукариот. Теперь получается, что ещё до поглощения внутриклеточных симбионтов — митохондрий, с которыми возникли эукариоты, — их предок уже обладал начальными способностями к обращению с мембранами, а потому был готов принять внутренних симбионтов. И этот предок эукариот, как и Локи, был археем.

Древо жизни в представлении учёных изменило свой облик: раньше бактерии, археи и эукариоты представляли на нём три отдельные ветви, а теперь ветвь эукариот отходит от архей. Оказалось, что они не так уж и непохожи на эукариот и могут заполнить пропасть между ними и проще устроенными прокариотами.

Конечно, теперь научное сообщество с нетерпением ждёт обнаружения живых хозяев восстановленного генома. Искать Локи, скорее всего, станут там, где будет выявляться больше их специфической ДНК.

 

Комментарий эксперта

Евгений Кунин — ведущий научный сотрудник Национального центра биотехнологической информации (National Center for Biotechnology Information, Бетесда, США), эксперт с мировым именем в области компьютерной и эволюционной биологии: 

«Bridge the gap (заполнили разрыв. — КШ) — это, конечно, метафора и, как почти любая метафора, неточность. Однако открытие очень важное, и выводы в самой статье вполне корректны. Описанный организм, насколько можно судить по геному, действительно представляет собой архею со сложной внутриклеточной организацией и беспрецедентным набором эукариотических черт.

Речь идёт о сравнительно небольшом числе генов (хотя как считать — в этот набор входит очень даже солидное семейство регуляторных ГТФаз), но здесь важно не количество, а качество. Именно белки, кодируемые этими генами, обеспечивают формирование цитоскелета, а возможно, и внутриклеточных мембран. Эти внутриклеточные структуры вполне могут обеспечить возможность поглощения таким организмом других микробов, в частности бактерий, что создаёт предпосылки для эндосимбиоза. Разумеется, это всё гипотезы — экспериментальные данные могут появиться, только когда организм будет исследован в лаборатории, что крайне нелегко. Однако анализ генома очень чётко указывает на эти возможности. Замечу, что характеристики архейного предка эукариот были предсказаны — прямо скажу, в первую очередь в работах моей группы — на основе анализа геномов других архей. Точность, с которой Локи соответствует этим предсказаниям, впечатляет.

Крайне важен и другой аспект этой работы. Однозначно показано, что Локи — ближайший родственник эукариот среди известных архей. Эти результаты не оставляют сомнений в том, что эукариоты происходят, так сказать, из гущи архейного разнообразия. Таким образом, предположение, что эукариоты происходят от общего предка с археями, а не именно от определённой группы архей, не просто создаёт ненужную новую сущность — оно неверно. Открытие Локи, можно сказать, покончило с этой гипотезой.

Именно сочетание этих двух аспектов — открытие ближайшего родственника эукариот среди архей и демонстрация сложной внутриклеточной организации этого организма — делает открытие Локи настоящим прорывом в изучении происхождения эукариот. Bridge or no bridge, так сказать».

 

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №6 (08) за июнь 2015 г.