Ядерная мать. Решена главная проблема жизни на Земле

В прошлом году на дне Атлантического океана ученые обнаружили Локи — потерянное звено между эукариотами и прокариотами, организм, который может помочь ответить на вопрос, как появились первые клетки с ядром и митохондриями. «Лента.ру» ознакомилась со статьей микробиолога Гаутама Дея (Gautam Dey) в журнале Trends in Cell Biology о том, что представляет собой первый эукариотический организм.

Эукариоты — гигантская группа (домен) живых организмов, включающая в себя человека, обезьян, кошек, насекомых и амеб. Всех объединяет то, что в их клетках содержатся мембранные органоиды: ядро, митохондрии, пластиды. Ученые установили, что сами эукариоты — плод симбиоза существ из двух других (доядерных или прокариотических) доменов: бактерий и архей.

Клетки эукариот значительно отличаются от прокариот. Например, их масса на один-два порядка больше массы бактерий и архей. Еще одно весьма заметное отличие эукариот — внутренние мембраны, разделяющие их цитоплазму на многочисленные отсеки — компартменты. Движение компартментов и их распределение во внутренней среде клетки регулируется рядом специфических белков, ранее в прокариотах не встречавшихся.

Ученые в течение десятилетий спорят о том, какова должна быть клеточная и генетическая природа последнего общего предка эукариот (LEKA) — организма, от которого произошли все имеющие ядро клетки. Считается, что эукариоты — это результат симбиоза археи, игравшей роль клетки-хозяина, и бактерии, что дала начало митохондриям. Однако была серьезная проблема: не хватало промежуточного звена, способного перекинуть мост через пропасть между прокариотами и эукариотами, сильно отличающимися размерами и по степени сложности организации.

Помощь пришла с неожиданной стороны. Технологии расшифровки ДНК становятся все дешевле и доступнее. Теперь есть возможность собирать геномные данные из различных сред, где обитали археи и бактерии. Дело в том, что далеко не все микроорганизмы удается культивировать в условиях лаборатории. Ведь они живут порой в крайне специфических условиях, например, в геотермальных источниках. Но можно собрать пробы, обработать клетки реактивами для выделения ДНК и определить последовательности нуклеотидов, чтобы найти специфические гены. Так расшифровали геномы многих архей, и выяснилось: прокариоты содержат последовательности, аналогичные тем генам, что, как раньше думали, встречаются только у эукариот.

Изображение термофильной бактерии в условных цветах

Изображение: University of California Museum of Paleontology

Что это за гены? Во-первых, те, что кодируют белки, формирующие пререпликационный комплекс, необходимый для копирования ДНК. Во-вторых, последовательности, кодирующие убиквитин, участвующий в регуляции активности других белков. В-третьих, гены, отвечающие за синтез актина, тубулина и белка ESCRTIII — молекул, нужных для придания мембранам определенных форм и считавшихся специфичными для эукариот.

Установлено, что основная часть белковых механизмов, определяющих внутриклеточную архитектуру ядерных клеток, происходит от белков, присутствующих у архей группы TACK. В TACK входят типы Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota и Korarchaeota. Недавно обнаруженные в Атлантическом океане Lokiarchaeota, также относящиеся к указанной группе, подтвердили эту теорию. Дело в том, что в локиархеях, чей геном был выделен в 2015 году из клеток, собранных возле гидротермального источника «Замок Локи», выявили 175 генов, кодирующих белки, похожие на эукариотические. В их число входят и ESPs (eukaryotic signature proteins) — белки, считавшиеся уникальными только для ядерных клеток. Когда ученые построили эволюционное дерево — схему, показывающую родство между различными организмами, — оказалось, что локиархеи ближе к эукариотам, чем к другим археям. В качестве аналогии можно привести шимпанзе: по своему ДНК этот примат ближе к людям, чем к другим обезьянам.

Подводный геотермальный источник «Замок Локи»

Фото: Centre for Geobiology (University of Bergen, Norway) by R.B.

Pedersen

Loki — первый прокариотический организм, в котором обнаружены белки, напоминающие эукариотические ГТФазы. Это открытие очень воодушевило ученых, поскольку в ядерных организмах ферменты ГТФазы — ключевой элемент управления цитоскелетом, подвижностью клеток, обособляемостью компартментов и внутриклеточным транспортом. Возникает вопрос: зачем локиархеям все это нужно?

Есть предположение, что ГТФазы нужны локиархеям, потому что эти прокариоты имеют примитивные мембранные органеллы и транспортную систему, напоминающую транспортную систему эукариот. Локи мог поглотить бактерии при помощи фагоцитоза в результате чего обзавелся внутренними симбионтами, позднее ставшими аналогами митохондрий. Однако может оказаться, что на самом деле Локи — небольшой организм, чьи «эукариотические» гены выполняют другие, регуляторные функции. Значит, локиархеи стоят в самом начале пути превращения в ядерные клетки. Они постепенно обзаводятся эукариотической внутриклеточной архитектурой через обмен генами со своим бактериальным партнером. С этой точки зрения эукариогенез является результатом равноценного сотрудничества между бактериями и археями. Какая из альтернатив верна, покажет только непосредственное изучение Loki.

Может сложиться впечатление, что раз нам известны гены локиархей, мы могли бы воспроизвести внешний вид клетки и понять все, что нам нужно. Однако это не так-то просто. Между генотипом (совокупностью генов) и фенотипом (совокупностью признаков и черт организма) большое расстояние. Например, похожие друг на друга гены в разных организмах могут выполнять различные функции. Всего лишь маленькая разница в ДНК-последовательности гена, кодирующего белок актин, способна привести к большим изменениям в цитоскелете и во внешнем виде клетки. Однако некоторые выводы из генетического сходства все же можно сделать. Естественно, без самого Loki это будут спекуляции, но вполне вероятные.

Эукариоты (справа) возникли в результате симбиоза бактерий и архей (слева)

Изображение: Gautam Dey et al. MRC Laboratory for Molecular Cell Biology, University College London

У эукариот есть липид-модифицирующие ферменты, обеспечивающие взаимодействие ГТФаз с мембранами. Вроде бы очевидно, что и ферменты, и ГТФазы должны эволюционировать вместе, однако у Loki не оказалось ортологов (похожие соединения, выполняющие похожие функции) модифицирующих белков. Не исключено, что у локиархей существуют какие-то иные механизмы, способствующие соединению ГТФаз с мембранами, либо ГТФазы вообще играют другую роль.

Есть ли способ узнать, какой из этих вариантов более вероятен, просто взглянув на ДНК архей? Можно посмотреть, например, на опероны — структурные особенности организации генома у прокариот. Они включают в себя участки ДНК и гены (цистроны), выполняющие связанные друг с другом функции. Таким образом, рядом с генами, кодирующими ГТФазы, обнаруживаются гены, отвечающие за синтез белков. Они могли бы подсказать, какова функция ГТФаз. Если подтвердится, что эти ферменты играют какую-то другую роль, то, возможно, их функции похожи на те, что выполняют другие малые ГТФазы, — те, что контролируют транспортировку веществ между ядром и цитоплазмой.

Если последнее верно, тогда мы действительно должны признать, что ГТФазы в Локи выполняют регуляторные функции и не участвуют в фагоцитозе. Скорее всего, Lokiarchaeota имеют ядро и примитивные внутренние мембраны, но еще не обзавелись митохондриями. Эти организмы демонстрируют, как могли бы выглядеть археи, вставшие на путь превращения в ядерные клетки. Их тесное взаимодействие с альфапротеобактериями, предками митохондрий, позволило последним обосноваться внутри архей, но уже после того, как произошло массивное заимствование генов.