Как появились первые клетки с ядром и митохондриями
В прошедшем сезоне на дне Атлантического океана ученые нашли Локи — потерянное звено между прокариотами и эукариотами, организм, что может оказать помощь ответить на вопрос, как показались первые клетки с митохондриями и ядром. Предлагаем ознакомиться со статьей биолога Гаутама Дея (Gautam Dey) в издании Trends in Cell Biology о том, что представляет собой первый эукариотический организм.
Скопление одноклеточных эукариотических организмов
© Diomedia
Эукариоты — огромная несколько (домен) живых организмов, включающая в себя человека, мартышек, кошек, амёб и насекомых. Всех объединяет то, что в их клетках находятся мембранные органоиды: ядро, митохондрии, пластиды.
Ученые установили, что сами эукариоты — плод симбиоза существ из двух вторых (доядерных либо прокариотических) доменов: бактерий и архей.
Клетки эукариот существенно отличаются от прокариот. К примеру, их масса на один-два порядка больше массы бактерий и архей.
Еще одно очень заметное отличие эукариот — внутренние мембраны, разделяющие их цитоплазму на бессчётные отсеки — компартменты. Перемещение компартментов и их распределение во внутренней среде клетки регулируется рядом своеобразных белков, ранее в прокариотах не видевшихся.
Ученые в течение десятилетий спорят о том, какова должна быть клеточная и генетическая природа последнего неспециализированного предка эукариот (LEKA) — организма, от которого случились все имеющие ядро клетки. Считается, что эукариоты — это итог симбиоза археи, игравшей роль клетки-хозяина, и бактерии, что дала начало митохондриям.
Но была значительная неприятность: не хватало промежуточного звена, талантливого перекинуть мост через пропасть между эукариотами и прокариотами, очень сильно отличающимися размерами и по степени сложности организации.
Помощь пришла с неожиданной стороны. Технологии расшифровки ДНК становятся все дешевле и дешевее. Сейчас имеется возможность собирать геномные эти из разных сред, где обитали археи и бактерии.
Дело в том, что не все микробы удается культивировать в условиях лаборатории. Так как они живут иногда в очень своеобразных условиях, к примеру, в геотермальных источниках.
Но возможно собрать пробы, обработать клетки реактивами для выделения ДНК и выяснить последовательности нуклеотидов, дабы отыскать своеобразные гены. Так расшифровали геномы многих архей, и выяснилось: прокариоты содержат последовательности, подобные тем генам, что, как раньше думали, видятся лишь у эукариот.
Изображение термофильной бактерии в условных цветах
© University of California Museum of Paleontology
Что это за гены? Во-первых, те, что кодируют белки, формирующие пререпликационный комплекс, нужный для копирования ДНК.
Во-вторых, последовательности, кодирующие убиквитин, участвующий в регуляции активности вторых белков. В-третьих, гены, несущие ответственность за синтез актина, тубулина и белка ESCRTIII — молекул, нужных для придания мембранам определенных форм и считавшихся специфичными для эукариот.
Установлено, что главная часть протеиновых механизмов, определяющих внутриклеточную архитектуру ядерных клеток, происходит от белков, присутствующих у архей группы TACK. В TACK входят типы Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota и Korarchaeota.
Сравнительно не так давно найденные в Атлантике Lokiarchaeota, кроме этого относящиеся к указанной группе, подтвердили эту теорию. Дело в том, что в локиархеях, чей геном был выделен в 2015 году из клеток, собранных около гидротермального источника «Замок Локи», распознали 175 генов, кодирующих белки, похожие на эукариотические.
В их число входят и ESPs (eukaryotic signature proteins) — белки, считавшиеся неповторимыми лишь для ядерных клеток. В то время, когда ученые выстроили эволюционное дерево — схему, показывающую родство между разными организмами, — оказалось, что локиархеи ближе к эукариотам, чем к вторым археям.
В качестве аналогии возможно привести шимпанзе: по собственному ДНК данный примат ближе к людям, чем к вторым мартышкам.
Подводный геотермальный источник «Замок Локи»
© Centre for Geobiology (University of Bergen, Norway) by R.B. Pedersen
Loki — первый прокариотический организм, в котором найдены белки, напоминающие эукариотические ГТФазы. Это открытие весьма вдохновило ученых, потому, что в ядерных организмах ферменты ГТФазы — главный элемент управления цитоскелетом, подвижностью клеток, обособляемостью компартментов и внутриклеточным транспортом.
Появляется вопрос: для чего локиархеям все это необходимо?
Имеется предположение, что ГТФазы необходимы локиархеям, по причине того, что эти прокариоты имеют примитивные мембранные органеллы и транспортную совокупность, напоминающую транспортную совокупность эукариот. Локи имел возможность поглотить бактерии при помощи фагоцитоза, в следствии чего обзавелся внутренними симбионтами, позднее ставшими аналогами митохондрий.
Но может оказаться, что в действительности Локи — маленький организм, чьи «эукариотические» гены делают другие, регуляторные функции. Значит, локиархеи стоят в начале пути превращения в ядерные клетки.
Они неспешно обзаводятся эукариотической внутриклеточной архитектурой через обмен генами со своим бактериальным партнером. С данной точки зрения эукариогенез результат равноценного сотрудничества между бактериями и археями.
Какая из альтернатив верна, продемонстрирует лишь яркое изучение Loki.
Может сложиться чувство, что раз нам знамениты гены локиархей, мы имели возможность бы воспроизвести внешний вид клетки и осознать все, что нам необходимо. Но это не так-то легко.
Между генотипом (совокупностью генов) и фенотипом (совокупностью показателей и линия организма) громадное расстояние. К примеру, похожие друг на друга гены в различных организмах смогут делать разные функции.
Всего лишь маленькая отличие в ДНК-последовательности гена, кодирующего белок актин, способна привести к солидным трансформациям в цитоскелете и во внешнем виде клетки. Но кое-какие выводы из генетического сходства все же возможно сделать.
Конечно, без самого Loki это будут спекуляции, но в полной мере возможные.
Эукариоты (справа) появились в следствии симбиоза бактерий и архей (слева)
© Gautam Dey et al. MRC Laboratory for Molecular Cell Biology, University College London
У эукариот имеется липид-модифицирующие ферменты, снабжающие сотрудничество ГТФаз с мембранами. Вроде бы очевидно, что и ферменты, и ГТФазы должны эволюционировать совместно, но у Loki не выяснилось ортологов (похожие соединения, делающие похожие функции) модифицирующих белков.
Нельзя исключать, что у локиархей существуют какие-то иные механизмы, содействующие соединению ГТФаз с мембранами, или ГТФазы по большому счету играются другую роль.
Имеется ли метод определить, какой из этих вариантов более возможен, легко посмотрев на ДНК архей? Возможно взглянуть, к примеру, на опероны — структурные изюминки организации генома у прокариот.
Они включают в себя участки ДНК и гены (цистроны), делающие связанные между собой функции. Так, рядом с генами, кодирующими ГТФазы, обнаруживаются гены, несущие ответственность за синтез белков.
Они имели возможность бы посоветовать, какова функция ГТФаз. В случае если подтвердится, что эти ферменты играются какую-то другую роль, то, быть может, их функции похожи на те, что делают другие малые ГТФазы, — те, что осуществляют контроль транспортировку веществ между цитоплазмой и ядром.
В случае если последнее правильно, тогда мы вправду должны признать, что ГТФазы в Локи делают регуляторные функции и не участвуют в фагоцитозе. Вероятнее, Lokiarchaeota имеют ядро и примитивные внутренние мембраны, но еще не обзавелись митохондриями.
Эти организмы демонстрируют, как имели возможность бы смотреться археи, поднявшиеся на путь превращения в ядерные клетки. Их тесное сотрудничество с альфапротеобактериями, предками митохондрий, разрешило последним обосноваться в архей, но уже по окончании того, как случилось массивное заимствование генов.
Источник: А. Еникеев lenta.ru
История Почвы за 2 часа | Лучший документальный фильм BBC
