_hellmaus_ (_hellmaus_) wrote,
_hellmaus_
_hellmaus_

Categories:

10. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЭУКАРИОТ

Эукариотические клетки  отличаются от бактериальных во многих отношениях. Они крупнее, содержат ядро, отделяющее геном и его транскрипцию от процессов цитоплазмы. В цитоплазме эукариот находятся сложные системы мембранных цистерн и пузырьков — эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы и другие вакуоли. Пузырьки управляемо отшнуровываются от мембран в одних местах и сливаются с ними в других. Белки цитоскелета — актин и тубулин — поддерживают форму клетки, а связанные с ними моторные белки — миозин, динеин, кинезин — перемещают органеллы внутри клетки и обеспечивают движение всей клетки. Рибосомы эукариотической клетки крупнее, чем бактериальные, содержат больше белков, и для узнавания мРНК нуждаются в кэпе — специальной модификации 5' конца мРНК. Кроме кэпа, эукариотические мРНК имеют полиадениловый хвост на 3' конце, и кодируют только одну рамку считывания. Дыхательные цепи и мембранные АТФазы убраны с плазматической мембраны в специальные органеллы — митохондрии и пластиды. Геном эукариот состоит из нескольких линейных молекул ДНК — хромосом, намотанных для компактности на специальные белковые «катушки» - гистоны. Размер генома может достигать десятков миллиардов пар нуклеотидов, что на четыре порядка больше, чем у бактерий. Геном часто переполнен некодирующими последовательностями разных типов, из которых шире всего распространены сплайсеосомные интроны. При делении клетки цитоскелет разделяет реплицированные хромосомы по дочерним клеткам в сложном движении, напоминающем эпизод классического балета. Наконец, в жизненном цикле многих эукариот есть половой процесс, в котором в одной клетке собираются гены двух родителей, и мейоз — специальное деление, в котором хромосомы, происходящие от разных родителей, обмениваются отдельными участками, после чего диплоидная клетка делится на четыре гаплоидных (с одиночным хромосомным набором).

Первым шагом в понимании происхождения эукариотической клетки стало обнаружение сходства между митохондриями и свободноживущими аэробными бактериями, а так же между пластидами и цианобактериями. Первые работы в этом направлении появились еще в конце XIX века, а в современном виде теорию симбиогенеза сформулировала Маргулис в 1970-ых годах.



К тому времени уже было обнаружено, что пластиды и митохондрии имеют собственную миниатюрную генетическую систему, включающую в себя кольцевую молекулу ДНК, особые рибосомы — мельче, чем в цитоплазме эукариот, и похожие на бактериальную — и никогда не образуются «с нуля», всегда происходя путем роста и деления существующих. Все это указывает на происхождение пластид и митохондрий от бактериальных симбионтов, когда-то поселившихся в цитоплазме эукариотической клетки.

Тогда же, в 1970-ые, были попытки расширить теорию симбиогенеза и на другие системы эукариотической клетки. Несколько раз сообщалось об обнаружении собственной ДНК в центриолях — центрах огранизации тубулиновго цитоскелета, в гидрогеносомах и пероксисомах — специальных вакуолях, осуществляющих реакции с выделением водорода и утилизацию перекиси водорода. С применением более совершенных методов эти открытия пришлось «закрыть», но оказалось, что пероксисомы и гидрогеносомы почему-то получают новые липиды для мембран через ту же систему транспортных белков, что и митохондрии. Тогда как нормальные вакуоли получают новые липиды в виде целых мембранных пузырьков. Эта особенность пероксисом может означать, что они произошли от митохондрий путем крайнего упрощения и полной потери генома.

Гораздо сложнее было установить природу ядерно-цитоплазматического компонента (ЯЦК) эукариотической клетки. Сегодня, когда прочитаны последовательности геномов более чем тысячи видов бактерий и архей, появилась возможность методами сравнительной геномики искать прокариотные гомологи каждого из тысяч эукариотических белков. Краткие результаты такого поиска представлены на рисунке:

08

Из http://evolbiol.ru/dok_ibr2009.htm

Сразу видно, что базовые генетические процессы эукариотических клеток — репликация, транскрипция, трансляция, репарация — обслуживаются белками практически строго архейного происхождения. Гены этих групп реже всего подвергаются горизонтальному переносу, и скорее всего были унаследованы эукариотами напрямую. ДНК- и РНК-полимеразы бактериального происхождения, кодируемые эукариотическими геномами, работают в митохондриях и пластидах и явно перенесены из их геномов. Это значит, что предок ЯЦК, скорее всего, принадлежал к археям.

Происхождение митохондрий благодаря сравнительной геномике удалось сильно уточнить. Их бактериальные предки относились к группе альфа-протеобактерий, причем в современном мире к ним ближе всего находятся пурпурные бактерии Rhodospirillum. Эти бактерии способны как к фотосинтезу, используя соединения серы для восстановления CO2, так и к аэробному дыханию на готовой органике, переключаясь между этими режимами метаболизма в зависимости от наличия кислорода и света. Большая часть их дыхательной цепи работает как в фотосинтезе, так и в аэробном дыхании.

Ранее считалось, что некоторые безмитохондриальные эукариоты (Giardia, микроспоридии) отделились от остальных в глубокой древности и никогда не имели митохондрий. Сегодня выясняется, что в их ядерном геноме есть гены альфа-протеобактериального происхождения, что свидетельствует о потере когда-то имевшихся митохондрий. Одна из малоизвестных функций митохондрий — сборка железо-серных кластеров ферментов, в том числе, работающих в цитоплазме. Для этого требуется транспорт свернутых белковых глобул, содержащих железо-серные кластеры, через митохондриальную мембрану. Это достаточно сложное и затратное приспособление, которое могло возникнуть только если хозяин митохондрий сам не умел собирать железо-серные кластеры.

Простейшее предположение о природе белков бактериального происхождения, работающих в цитоплазме эукариот — что они все принадлежали предку митохондрий или пластид — оказывается неверным. У эукариот насчитывается более 200 генных семейств бактериального происхождения, отсутствующих у альфа-протеобактерий и цианобактерий, и следовательно, приобретенных другими путями. Другие белки эукариот, хотя имеют альфа-протеобактериальные гомологи, ближе к белкам других групп бактерий. Например, все ферменты гликолиза эукариот ближе всего к белкам бактерий-бродильщиков рода Clostridium.

09

 Из http://evolbiol.ru/dok_ibr2009.htm

Несколько белковых семейств эукариот, связанных со слиянием и отшнуровкой мембран, имеют архейное происхождение, например, Adaptin N, Syntaxin, AdAR repeat. К сожалению, их функции в клетках архей неизвестны.

Помимо митохондрий, для приспособления к кислороду нужны белки, защищающие цитоплазму, такие как оксигеназы, пероксидазы, каталаза. Эти белки эукариот все получены от бактерий, причем, не родственных митохондриям. Этого и следовало ожидать — ведь чтобы получать выгоду от аэробного дыхания, надо сначала научиться защищаться от токсического действия кислорода, которое проявляется уже в очень малых концентрациях.

Мембраны эукариот, подобно бактериальным, состоят из сложных эфиров жирных кислот. Ферменты биосинтеза липидов, соответственно, могли быть получены только от бактерий. Уникальные липиды эукариот — стеролы, такие как холестерол, синтезируются из терпеновых предшественников. Ключевой фермент их биосинтеза, сквален-монооксигеназа, относится к обширному семейству, общему для всех трех доменов жизни, но ближе всего к монооксигеназам актинобактерий. Сквален-синтаза эукариот одинаково близка и к бактериальным, и к архейным сквален-синтазам. Холестерол придает мембранам подвижность и текучесть, что облегчает фагоцитоз, и его биосинтез, скорее всего, был необходим для перехода к фагоцитозу и приобретению митохондрий.

Большая часть эукариотических генов бактериального происхождения, не принадлежавших предкам митохондрий и пластид, кодирует защитные, рецепторные, транспортные, сигнальные и регуляторные белки. Сюда относятся, например, белки теплового шока Hsp90, белки TerC и Ttg2, связанные с устойчивостью к тяжелым металлам, семейство Ras, передающее сигналы в протеин-киназных путях, и другие. Что интересно, белки, которые у эукариот обеспечивают взаимодействия между компонентами клетки, у бактерий нужны для связей между разными клеткам в сообществе. Например, Tim44 эукариот нужен для транспорта белков через внутреннюю мембрану митохондрий из цитоплазмы, а его бактериальные гомологи экспортируют белки из клеток во внешнюю среду. Это свидетельствует о том, что при возникновении эукариотической клетки под одной мембраной оказались уже отработанные системы связи клеток в сообществе.

Происхождение цитоскелетных белков прояснилось буквально в последние три года. Ранее были известны белки FtsZ, отдаленно похожие по последовательности на тубулин, широко распространенные у бактерий и архей, полимеризующиеся в пластины и трубки, и необходимые для деления прокариотических клеток. В 2012 году были найдены артубулины — близкие гомологи тубулина - у двух видов архей рода Nitrosoarchaeum, принадлежащих к группе Thaumarchaeota . Их функция пока неизвестна. Аналогично, у бактерий и архей широко распространены отдаленные гомологи актина — белки MreB, полимеризующиеся в тонкие нити и участвующие в перетяжке делящейся бактериальной клетки. Другие дальние гомологи актина кодируются плазмидами и служат для их расхождения при делении клетки. И только в 2009 году у нескольких видов группы Crenarchaeota были обнаружены кренактины — близкие гомологи эукариотического актина. Кренактины образуют нити, которые придают клеткам палочковидную форму, часто с разветвлениями. По своей последовательности кренактины близки не только к актинам, но и белкам Arp2/Arp3 (Actin-related proteins), которые у эукариот образуют разветвления актиновых филаментов. В некоторых случаях полимеризация актина с Arp2/Arp3 на плазматической мебране достаточна для отшнуровки фагоцитозного пузырька.

Наряду с артублинами у Thaumarchaeota обнаружились гомологи еще одной эукариотической системы — ESCRT-III (endosomal sorting complex required for transport). Эта группа белков связана с мембранами комплекса Гольджи, эндоплазматического ретикулума и вакуолей и участвует в сортировке содержимого мембранных пузырьков. В клетках архей белки этого комплекса необходимы для деления клеток, заменяя отсутствующий FtsZ.

В геноме Caldiarchaeum subterranum, прочитанном в 2010 году, были обнаружены гомологи эукариотической системы убиквитиновой модификации белков. Эта система пришивает убиквитин — маленький белок — к различным клеточным белкам, что служит обычно меткой для их уничтожения в протеосоме, а так же влияет на другие процессы, например, перестройку хроматина. Кроме собственно убиквитина (Ub), в нее в минимальном варианте входят три фермента — Е1, Е2 и Е3 — катализирующие разные стадии присоединения Ub. У бактерий известны отдаленные гомологи Е1 и Е2, но их функции не связаны с убиквитином, они катализируют включение серы при синтезе витамина В1 и молибденовых кластеров ферментов. Протеосомы были известны ранее у некоторых бактерий (Mycobacterium tuberculosum) и архей (Haloferax volcanii), но убиквитиновой системы у этих видов нет. Протеосомы есть и у Caldiarchaeum subterranum, они похожи на эукариотические также по наличию белка RPN11, который опознает убиквитиновые метки на белках.

euk_genes_in_archaea

Гомологи различных эукариотических систем рассеяны по разным группам архей. Ubi — убиквитиновая система модификации белков; ESCRT-III — система деления клетки (у архей) и система сортировки мембранных пузырьков (у эукариот); RpoG и Rpc34 — вспомогательные субъединицы РНК-полимераз; Elf1 - фактор элонгации транскрипции; TopoIB — топоизомераза IB. (Bernander et al., 2011)

Таким образом, мы видим, что ЯЦК эукариотической клетки сочетает в себе черты архей и различных неродственных групп бактерий. От архей унаследованы центральные информационные системы клетки, зачатки цитоскелета, зачатки систем управления мембранами и убиквитиновая система модификации белков. От бактерий произошли ферменты метаболизма сахаров, липидов и отчасти - стеролов, системы защиты от кислорода и всевозможные сигнальные и регуляторные белки. Очевидно, что приобретение митохондрий было далеко не первым шагом на пути происхождения эукариот: чтобы такой симбиоз стал механически возможен, необходимы механизмы фагоцитоза. А чтобы он был еще и полезен, надо сначала иметь ферменты гликолиза, защиту цитоплазмы от кислорода, системы транспорта и передачи сигналов между симбионтом и хозяином.

Как мог происходить процесс появления эукариот? Во-первых, симбиогенез, многочисленные переносы генов от разных бактерий и большая роль сигнально-регуляторных генов означают, что процесс происходил в сложном сообществе прокариот. Во-вторых, архейное происхождение базовых генетических систем эукариот свидетельствует о том, что у истоков процесса стояли археи. Из разнообразных экологических групп современных архей только одна, метаногены, живет в сложных сообществах в тесном взаимодействии с бактериями. Остальные археи, как правило, специализированны к экстремальным местообитаниям, где образуют крайне бедные сообщества с малой ролью межвидовых взаимодействий. Отсутствие всяких следов метаногенеза у эукариот означает, что этот тип метаболизма в какой-то момент эукариогенеза стал непригоден и был заменен другими. В качестве причины кризиса метаногенов напрашивается появление кислородного фотосинтеза. Ферменты метаногенеза используют ионы двухвалентного никеля, которые очень уязвимы для кислорода.

Итак, скорее всего, эукариогенез начался с метаногенной археи, обитавшей в нижних слоях бактериального мата в симбиозе с ацетогенными бродильщиками, выделяющими водород. Появление кислородного фотосинтеза в верхнем слое того же мата вызвало крупный экологический кризис. Многие обитатели мата вымерли, другим же удалось создать свои или приобрести горизонтальным переносом чужие системы защиты от кислорода. Этот процесс шел не одновременно, а распространялся с поверхности в глубокие слои мата, и к моменту появления серьезных проблем у метаногенов их соседи сверху уже имели адаптации к кислороду. Многие прокариоты в состоянии стресса начинают активно поглощать ДНК из внешней среды, и таким способом наша архея приобрела защиту от кислорода и новый метаболизм, скорее всего молочнокислое брожение. Сквален-монооксигеназа, необходимая для синтеза стеролов, могла исходно служить для защиты от кислорода. Отсутствие клеточной стенки, актиновый цитоскелет для поддержания вытянутой и ветвистой формы клеток, стеролы и освобождение мембраны от энергетических функций позволили ей перейти к фагоцитозу и успешно конкурировать с соседями-бактериями. Такой способ питания усилил поток чужеродных генов в цитоплазму клетки, что, видимо, потребовало специализации трех РНК-полимераз из одной предковой. Тем временем в среднем слое мата, среди пурпурных фотосинтезирующих бактерий, было отработано аэробное дыхание, для которого ценным субстратом стали органические кислоты, выделяемые бродильщиками нижних слоев. Эти аэробы стали оптимальными партнерами для симбиоза с фагоцитирующими бродильщиками. Вероятно, сначала взаимодействие между ними было отработано на стадии простого соседства в мате, а затем продолжилось с переходом к эндосимбиозу.

Поток чужеродных генов неизбежно должен был заражать фаготрофную клетку новыми видами вирусов и мобильных элементов. Их давление могло вызвать ответ в виде образования ядра для защиты генетического материала. Разделение клетки на компартменты, один из которых специализируется на хранении ДНК, известно и у бактерий группы Planctomycetes (к сожалению, чтение и аннотация их геномов пока не закончена). Появление ядра, разделившее трансляцию и транскрипцию, сделала возможным размножение интронов в геноме, впоследствии из них спецализировалась сплайсеома. Новые мобильные элементы резко активизировали рекомбинацию, что могло привести к распаду кольцевой ДНК на линейные хромосомы. Функция защиты их концов могла сначала выполняться мобильными элементами, размножающимися параллельно делению клетки, подобно тому как это происходит у ряда насекомых, затем на основе обратной транскриптазы ретротранспозонов возникла теломераза.

После приобретения митохондрий протоэукариоты стали высокоэффективными хищниками: аэробное дыхание повышает эффективность использования пищи почти в 20 раз по сравнению с гликолизом. Они смогли выйти на поверхность мата и фагоцитировать цианобактерий. Так часть эукариот приобрели пластиды, смогли оторваться от бактериального мата и перейти к жизни в толще океана, другие же остались гетеротрофами.


(раздел слишком велик для одного поста - продолжение следует)



Tags: происхождение жизни
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 7 comments