Как на Земле появились клетки с ядрами
Архея под названием Локи показала, как древние безъядерные микробы могли дать начало эукариотическим клеткам.
Жизнь на Земле делится на три домена: эукариоты (птицы, звери, рыбы, черви и т. д., все многоклеточные и ещё масса одноклеточных организмов), бактерии и археи. Эукариоты отличаются от двух остальных по целому ряду важных признаков – в их клетках есть ядро, в котором хранится генетический материал, а также целый набор клеточных органоидов, сделанных из липидных мембран; кроме того, у эукариот есть масса отличий на уровне самых базовых молекулярных процессов, как-то: синтез белка, репликация ДНК и т. д.
Бактерий и архей (которых раньше называли архебактериями) долгое время объединяли вместе, поскольку ни у бактерий, ни у архей нет ядра и мембранных органелл, однако впоследствии оказалось, что одни довольно сильно отличаются от других. Перечислять отличия мы не будем, скажем лишь, что у архей обнаружили множество особенностей, общих с эукариотами. И с археями же связана одна из главных гипотез происхождения эукариот. Бактерии на Земле, очевидно, появились раньше, и долгое время биологи не могли понять, как и откуда рядом с бактериями появились клетки с ядрами и внутриклеточными сложноорганизованными мембранами. И вот, когда археями занялись во всеоружии молекулярно-генетических методов, возникла версия, что эукариоты есть результат симбиоза между обычной бактерией (или эубактерией) и археей.
Но в каких именно родственных отношениях находятся эукариоты и археи, всё равно оставалось неясным. С одной стороны, и те, и другие могли произойти от одного общего предка. С другой стороны, эукариотическая клетка могла возникнуть внутри какой-то уже сформировавшейся архейной группы. Сделать выбор здесь можно было бы, если бы нашёлся ещё какой-нибудь вид архей, с помощью которого можно было бы глубже прояснить генетические взаимосвязи между двумя доменами.
И такой вид был найден: в статье в Nature группа исследователей из Уппсальского университета описывает архею Lokiarchaea, названную так потому, что обнаружили её в грунте рядом с «Замком Локи» – системой гидротермальных источников на Срединно-Атлантическом хребте, между Норвегией и Гренландией.
Первоначальный анализ показал, что Lokiarchaea принадлежат к одной из самых крупных групп морских архей, которых, правда, до сих пор не удаётся культивировать в лабораторных условиях (что для архей, да и для бактерий, совсем не редкость). Метагеномный анализ позволил собрать воедино 92% генетического материала, после чего оказалось, что около 175 белков Lokiarchaea весьма близки эукариотическим аналогам, участвующим в формировании мембран, изменении формы клетки и фагоцитозе (то есть мембранном захвате частичек из внешней среды). Более того, эукариоты, по-видимому, сформировались как отдельный кластер уже внутри этой группы морских микробов. Сам Lokiarchaea, несомненно, относится к археям, однако в прошлом у него и у эукариот был общий архейный предок.
Одна из проблем, возникающих в связи с гипотезой о слиянии архей и бактерий в одну эукариотическую клетку – отсутствие и у бактерий, и у архей способности к фагоцитозу. То есть они не могут образовать впячивание в своей внешней оболочке и заключить в себя некий объект, а ведь если мы придерживаемся гипотезы о симбиозе, то одна клетка должна как бы спрятать в себя другую.
У большинства бактерий и архей, кроме наружной мембраны, есть ещё и прочная клеточная стенка, которая помешала бы фагоцитозу, задумай клетка его осуществить; но, кроме того, здесь нужно уметь ещё и довольно тонко манипулировать собственной мембраной, для чего нужен соответствующий белковый аппарат. И вот, как оказалось, такой аппарат, по крайней мере, частично, есть у Lokiarchaea.
По словам Тийса Эттема (Thijs Ettema), этот микроб как бы стоит в начале эволюционного пути, ведущего к полноценному фагоцитозу. Миллиарды лет назад похожая архея могла бы, спустя какое-то время, в конце концов захватить настоящую бактерию – и не съесть её, а оставить в себе в качестве симбионта; впоследствии «гость» мог бы превратиться, например, в митохондрию или хлоропласт. (В скобках заметим, что появление ядра часто объясняют тем, что, поселив у себя симбионта, клетке-хозяину пришлось дополнительно защитить от него свой собственный геном, чтобы гены симбионта не влезли в хозяйскую ДНК, и как раз ядерная мембрана стала одной из линий такой защиты.)
Среди других особенностей Lokiarchaea авторы работы отмечают гены скелетного белка актина, которые больше похожи на эукариотические актиновые гены, чем на архейные, и несколько десятков последовательностей, соответствующих особым регуляторным сигнальным белкам – их количество у Loki (как ласково называют нового микроба) примерно такое же, как у многих одноклеточных эукариотических видов. Кроме того, у Lokiarchaea в геноме нашли кусок, похожий на эукариотический ген ESCRT, необходимый для внутриклеточного перемещения мембранных пузырьков-везикул.
Теперь перед биологами стоит задача выяснить, что всё-таки делают эукариотоподобные гены в клетках археи. (Загрязнение посторонним генетическим материалом исследователи уже исключили.) Очевидно, что у Lokiarchaea они появились не зря, в противном случае в них накопилось бы множество мутаций, они утратили бы функциональность и стали бы генетическим мусором. Возможно, что у микроба есть какие-то зачатки, какие-то элементы эндомембранных структур и белкового скелета, напоминающие таковые у эукариот. Но для того, чтобы в этом убедиться, капризную архею придётся научиться выращивать в лабораториях. Хотя в целом и так понятно, что Lokiarchaea стала одним из крупнейших открытий последних десятилетий: с её помощью мы можем понять, что происходило на одном из важнейших этапов развития жизни, во время появления на Земле эукариот.
12 мая 2015
Статьи по теме:
