ЕВКАРІОТИ У ПОШУКАХ СВОГО КОРІННЯ

Даниїл ГРИБЧУК

Наприкінці травня 2015 року по стрічках новин різноманітних науко-орієнтованих інформаційних ресурсів пробігла блискавка, епіцентром якої став Університет Уппсали у Швеції. Вони зарябіли заголовками, які по-суті, можна звести приблизно до такого: “Нарешті знайдено втрачену еволюційну ланку між прокаріотами та евкаріотами!” І як часто буває в дослідженнях подібного плану, цей прорив став сукупним результатом багатьох років наполегливої праці та щасливої випадковості. Тож, що собою являє ця “втрачена ланка” і як вона вплинула на погляди вчених щодо еволюції евкаріотів на нашій планеті?


Еволюція еволюції евкаріотів

Згідно із хрестоматійним баченням еволюції життя на Землі, вперше сформульованим Карлом Річардом Воузом у 1977 році, на основі послідовностей 16S рибосомальної РНК та ґенів, задіяних у трансляції протеїнів, усі клітинні форми життя розподілено на три основні домени: прокаріоти у сутності (1) бактерій та (2) археїв, і (3) евкаріотів. Виокремлення трьох доменів (дехто виділяє чотири домени на основі вивчення велетенських вірусів, споріднених із бактеріями – ред.) відображає наші наявні знання про особливості будови і функціонування представників відповідних груп організмів, але разом із тим ставить цілком природне питання: яким чином зазначені домени еволюційно пов’язані між собою?

Стосовно цього, від початку, існувало дві основні гіпотези. Перша передбачала раннє відокремлення еволюційної гілки, що веде до евкаріотів. Справді, в об’єднання бактерій та археїв, за ключовою відмінною від евкаріотів ознакою, – відсутністю ядра, – є певна логіка. Проте, з часом, така гіпотеза виявилася нежиттєздатною. По-перше, вона не знайшла підтримки в царині палеонтології. По-друге, поступове зростання кількості ґеномів, для яких встановлена первинна послідовність нуклеотидів (секвенованих ґеномів – авт.), і паралельне покращення методів їх порівняння (філоґенетичного аналізу – авт.) схилили шальки терезів на користь сценарію, в якому евкаріоти є ближче споріднені із археями і, ймовірно, мають спільного предка, тоді як бактерії відгалужились набагато раніше в ході еволюції. Таке бачення панувало впродовж тривалого часу, і всі висновки з наукових даних робилися на його основі. Але, як часто це буває із будь-якою динамічною науковою проблемою, нові результати, які не зовсім узгоджувалися із базовою концепцією, не забарилися.



Причиною цього насамперед стало збільшення кількості доступних ґеномів археїв, внаслідок значного поступу, власне, методів секвенування та компьютерної обробки первинних послідовностей нуклеотидів. Тут, головно, йдеться про методи, так званого, метаґеномного аналізу. Їх застосування дозволило вирішити одну із найзначніших проблем мікробіології, знану як “некультивовані форми життя”. Більшість відомих нині археїв складно виростити штучно, оскільки вони живуть в дуже тонко збалансованих екосистемах, унікально пристосованих для екстремальних умов, які просто неможливо відтворити в лабораторії. Разом із тим до недавнього часу усі методи секвенування передбачали виділення ДНК виключно з чистої культури клітин in vitro. Але, на щастя, сьогодні, вже існують методи визначення окремих нуклеотидних послідовностей з суміші мікроорганізмів, отриманих з природних джерел, оминаючи необхідність культивування.

Отже, застосування методів метаґеноміки дозволило ідентифікувати велику кількість нових археїв. Після детального аналізу якісного складу їхніх ґеномів, стало зрозуміло, що багато з них містять послідовності, явно безпосередньо споріднені із евкаріотичними. Нові дані кардинально змінили топологію універсального еволюційного дерева: одні археї наблизилися до евкаріотів, інші віддалилися, і у підсумку евкаріотівична гілка еволюції опинилася у щільному оточенні археїв. Тобто, все скидалося на те, що предка евкаріотів слід шукати саме серед археїв. Цю ідею, ще у 1984 році, сформулював Джеймс Лейк на підставі приголомшливої подібності структури рибосом Кренархеїв та сучасних евкаріотів. Оскільки на той час цей тип археїв звався “еоцити”, відповідно, така гіпотеза походження евкаріотів отримала назву “еоцитарної”. На жаль, самої лише структурної подібності, відомої на той момент, було недостатньо для повного обґрунтування зазначеної гіпотези, тому тривалий час, вона залишалася лише припущенням. І от, на початку, нового тисячоліття, після, майже, 30-річного безроздільного панування, концепція трьох доменів життя похитнулася – виявилося, що реально існують лише два домени – бактерії та археї – а евкаріоти походять від останніх. На цьому моменті, коли все нарешті стало зрозуміло, було б логічним перейти безпосередньо до неймовірного відкриття шведських вчених, проте, є певна ускладнююча обставина, яку просто-таки не можна оминути увагою: в евкаріотів є мітохондрія…


Найвизначніше злиття за всю історію.

Сказати лише, що евкаріотівам дісталися ґени у спадок від археїв, – це сказали півправди. Типовий евкаріотівичний ґеном є в кращому випадку трикомпонентною химерою. По-перше, він містить, власне, архейні ґени, що походять від прабатьківської клітини; по-друге, бактеріальні ґени, що вказує на тісний симбіоз між археєю та альфа-протеобактерією, яка згодом перетворилася на мітохондрію (у рослин до цього додаються також ціанобактеріальні ґени від іншого відомого симбіозу, який завершився утворенням пластиди – авт.); по-третє, унікальні ґени, що стали результатом свого власного еволюційного шляху евкаріотів і зумовили появу усього багатоманіття форм життя, які ми можемо бачити навколо себе неозброєним оком.



Яким саме чином всі ці, різні за походженням, компоненти опинилися “під одним дахом” – це тема для іншої дискусії. Але, які факти дають нам підставу стверджувати, що саме архея була батьківською клітиною, а альфа-протеобактерія була в ній “квартирантом” (виражаючись науковою лексикою – ендосимбіонтом – авт.), а не навпаки? Відповідь на це питання криється у тому, які функції виконують ґени відповідного походження. Евкаріотівинчі ґени умовно поділяють на керівні (informational genes – авт.), які відповідають за фундаментальні процеси передачі інформації в клітині (реплікація, транскрипція, трансляція, ключові регуляторні каскади), і виконавчі (operational genes – авт.), що кодують ферменти різноманітних метаболічних шляхів. Так от, виявляється, що ґени архебактеріального походження, здебільшого, є керівними, тоді як виконавчі ґени з більшою вірогідністю є бактеріальними за походженням. Такий невипадковий розподіл функцій свідчить на користь того, що ядерна ДНК бере свій початок саме від археїв, а бактеріальні ґени потрапили до евкаріотівичного ґеному шляхом горизонтального переносу від ендосимбіонта.

Та незалежно від того, чиї ґени є основними, злиття археї та бактерії – ключовий етап евкаріоґенезу. Об’єднання потужностей двох принципово різних типів прокаріотичних орґанізмів в одній клітині стало еволюційним поштовхом неймовірної сили, відгомін якого ми бачимо і сьогодні. Із, майже, чотирьох мільярдів років існування життя на Землі, евкаріотичні форми населяють її лише впродовж останніх 1,2 млрд. років, тож на утворення стійкого симбіозу між археєю та альфа-протеобактерією пішло чимало часу! Тобто, такий симбіоз є лімітуючою стадією евкаріоґенезу, і надзвичайна складність, і стохастичність процесу його становлення пояснює чому евкаріотична клітина утворилася лише один раз за натуральну історію Землі. Розуміючи красу і важливість цього видатного злиття, вчені сформульовали концепцію “кільця життя”, де еволюційна гілка евкаріотів є таким собі анастомозом двох прокаріотичних гілок. Ця ідея, певною мірою, повертає евкаріотам право називатися “третім доменом”, щоправда із заувагою, що вони є композитною формою життя.

Але що стало передумовою злиття двох окремих орґанізмів у один? Міркуючи над цим питанням, науковці натрапили на певне протиріччя. З одного боку складно побудована клітина вимагає достатньо об’ємного ґеному, щоб закодувати усі свої складові частини. А підтримання великого за обсягом ґеному – це дорога розкіш, із енерґетичної точки зору. Тож, якщо клітина “бажає ускладнюватися”, вона від початку повинна мати деяку орґанелу для ефективного отримання енерґії, таку як (ви вгадали! – авт.) мітохондрія. З іншого боку, щоб захопити і привласнити собі альфа-протеобактерію, архея має бути здатною до фагоцитозу (існують візії, що аьфа-протеобактерії були паразитами у первісних евкаріотів/археїв – ред.). За цим коротким і простим, на перший погляд, біологічним терміном лежить купа проґресивних цитологічних ознак, як-от добре розвинені актиново-міозинові філаменти, системи ремоделювання цитоплазматичної мембрани та ендосомального трафіку – ознаки, які завжди вважалися “монополією” евкаріотів і якісно відрізняли їх від прокаріотів. Отже, дискусія про походження евкаріотів, як і будь-яка гарна еволюційна проблема, врешті-решт зводиться до добре усім відомої філософської дилеми: “курка чи яйце?”.


Витівка Локі чи дивовижне відкриття?

Розв’язати цю проблему – значить відшукати або принаймні реконструювати безпосереднього архебактеріального предка евкаріотів. Для цього вчені вдаються до пошуку нових видів архей із різноманітних природних біотопів, і в подальшому, аналізують їхні ґеноми, шукаючи в них евкаріотичні “пра-ґени”, для яких, до речі, навіть придумали свій термін із модним нині суфіксом “-ом” – евкаріом. Такий підхід безумовно є перспективним (якщо не сказати, безальтернативним – авт.), оскільки він уже дозволив значно звузити коло пошуку ймовірних пращурів евкаріотів до групи архей, що належать до супертипу під назвою TACK (абревіатура з перших літер чотирьох типів археїв: Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota, and Korarchaeota – ред.).

Однак, на цьому фронті не без проблем. На сьогодні вдалося описати цілу низку архей, які мають ті чи інші характерні евкаріотичні ознаки, як-от фактори елонгації трансляції, актини, гістони, тощо. Проте, усі вони мозаїчно розподілені серед різних представників згаданої групи. До останнього часу вченим не вдавалося знайти єдиної археї, яка б сполучала в собі всі ті прогресивні ознаки. У цього феномену навіть з’явилася своя назва “розпорошений евкаріом” (scattered eukaryome – авт.). Такий стан речей найімовірніше пояснюється тим, що архея-попередник із повним евкаріомом все-таки існувала (чи існує досі – авт.), а розпорошення відбулося шляхом диференційної втрати тих чи інших ґенів у ході редуктивної еволюції, що супроводжувала диверґенцію архей.



І от, в результаті довготривалої пошукової та аналітичної роботи, шведськими вченими був знайдений мікроорґанізм гідний бути кандидатом на роль універсальної археї-предка (або сестринської групи, адже ймовірність виживання предкової форми є дуже низькою – ред.). Під час сканування проби, відібраної роботом на глибині, майже, три з половиною кілометри, у Північному Льодовиковому Океані, між норвезьким узбережжям та архіпелагом Шпіцберген, був охарактеризований новий тип архей із безпрецедентним набором ґенів, подібних до евкаріотичних. Місце взяття проби знаходилося в безпосередній близькості до гідротермального курця Замок Локі (Loki’s Castle – авт.), названого на честь скандинавського божества бешкету і обману. Відповідно, новий тип назвали Lokiarhaeota. Спершу було здійснено метаґеномний аналіз зразка, і після обробки даних секвенування із застосуванням складних алгоритмів фільтрування і об’єднання даних, було зібрано майже повний (92 %) ґеном Локіархеї.

Досліджуючи якісний склад ґеному Локіархеї, вчені виявили разючу подібність локіархеальних та евкаріотичних актинів, а також знайшли ймовірні аналоги білків, що залучені в забезпеченні динаміки актинових філаментів (останні, до речі, описані у прокаріотів вперше – авт.). Іншою несподіваною знахідкою стала кількість ґенів, які кодують ГТФази надродини Ras – важливі сигнальні молекули, що контролюють перебудови цитоскелету, утворення мембранних везикул, транзит макромолекул між ядром і цитоплазмою в евкаріотичних клітинах. Парадокс ситуації полягає в тому, що кількість ґенів ГТФаз локіархей перевищує таку для деяких евкаріотів, тоді як до цього моменту серед прокаріотичних організмів траплялися лише поодинокі аналоги ГТФаз. Такі особливості клітинної мікроорганізації характерні, наприклад, для амеб, що здатні до активного захоплення здобичі. Звичайно, зі самої лише ґенної композиції важко робити висновки щодо реальних можливостей даної археї. Та все одно вчені зауважують, що здобуття мітохондрії скоріше всього відбулося вже після того, як почався процес набуття археєю ознак складно побудованої клітини. На додачу, дослідники також виявили ґени, чиї продукти відповідають за ендосомальний трафік та убіквітин-залежну деґрадацію протеїнів, завершуючи таким чином збирання розпорошеного евкаріому.

Опоненти і скептики зазначили б, що такі екстраординарні результати можна пояснити забрудненням архебактеріального зразку сучасними евкаріотами. Але вчені наголошують на абсолютній безпомилковості своїх висновків з метаґеномних даних. По-перше, ПЛР із застосуванням специфічних праймерів не виявила слідів евкаріотичної 18S рибосомної РНК, по-друге, висока якість збірки ґеному засвідчила, що пра-евкаріотичні ґени обрамлені типовими архебактеріальними генами і організовані у вигляді характерних для прокаріотів оперонів. Отже все скидається на те, що це не витівка бешкетника Локі (виражаючись науковою лексикою – не артефакт – авт.), а дійсно серйозне відкриття в дослідженні еволюційної історії евкаріотів. Зрештою, біологи-еволюціоністи – це лишень групка евкаріотичних організмів, які прагнуть відшукати своє коріння…


Вперше опубліковано на сайті “Моя наука“. Передрук зі згоди автора.


Слідкуйте за публікаціями Станіславівського натураліста у соціальних мережах: Facebook, Google+, Вконтакті та Livejournal

Інші статті за цією темою:

admin Written by:

2 Comments

  1. Серпень 12, 2015
    Reply

    Так, я чув про “четвертий” домен життя, який наче становлять гігантські ДНК віруси. Але ж вони не є клітинними формами життя, в них немає своїх рибгосм і рибосомальної РНК, за якою, власне, і відбувається розподіл по доменах (хоча, наявність аміноацил тРНК синтетаз у Мімівірусів вражає, але все-таки). Можливо згадані віруси – це давні дегенеровані нащадки якоїсь еволюційної лінії, яка могла б бути четвертим до мером поряд із бактеріями, археями та евкаріотами (якщо вірити редукційній гіпотезі походження цих вірусів), але їм точно не судилося стати окремим доменом. А про паразитарну теорію утворення мітохондрії раніше нічого не чув, принаймні в тій літературі, яку я читав, про неї нічого не згадувалося. Трошки покопирсався, так там і синтрофічна гіпотеза і антиоксидантна, яких тільки нема!

    • Серпень 12, 2015
      Reply

      Це так – редакторські примітки про альтернативні візії істини 🙂

Напишіть відгук

Ваша пошт@ не публікуватиметься. Обов’язкові поля позначені *

− 1 = 4