Еукаріоти: історія їхнього археального походження

Традиційне групування форм життя на прокаріотів і еукаріотів було переглянуто в 1977 році, коли характеристика послідовності рРНК виявила, що археї (тоді їх називали «архебактеріями») «так само віддалено пов’язані з бактеріями, як бактерії з еукаріотами». Це викликало необхідність групування живих організмів. на еубактерії (включаючи всі типові бактерії), археї та еукаріоти. Питання про походження еукаріот залишалося відкритим. Згодом почали з’являтися докази на користь архейного походження еукаріот. Особливий інтерес викликало відкриття про те, що в геномі асгардських архей є кілька сотень генів еукаріотичних сигнатурних білків (ESP). ESP відіграють вирішальну роль у розвитку цитоскелету та характеристик складних клітинних структур еукаріотів. У проривному дослідженні, опублікованому 21 грудня 2022 року, дослідники повідомили про успішне вирощування збагаченої культури невловимих асгардських архей, яку вони відобразили за допомогою кріоелектронної томографії. Вони виявили, що клітини Асгарда справді мали складний цитоскелет на основі актину. Це було перше пряме візуальне свідчення архейного походження еукаріот, значний крок у розумінні походження еукаріот.  

До 1977 року форми життя на Землі були згруповані в еукаріот (складні форми, що характеризуються включенням генетичного матеріалу клітини в чітко визначене ядро ​​та наявністю цитоскелету) і прокаріоти (простіші форми життя з генетичним матеріалом у цитоплазмі без визначеного ядра, включаючи бактерії та архебактерії). Вважалося, що стільниковий еукаріот розвинувся близько 2 мільярдів років тому, ймовірно, з прокаріотів. Але як саме виникли еукаріоти? Як складні клітинні форми життя пов’язані з простішими клітинними формами життя? Це було велике відкрите питання в біології.  

Технологічний прогрес у молекулярній біології генів і білків допоміг заглибитися в суть проблеми, коли в 1977 році було виявлено, що археї (тоді їх називали «архебактеріями»)настільки ж віддалено пов’язані з бактеріями, як і бактерії еукаріот».Раніше розрізнення форм життя на прокаріотів і еукаріотів ґрунтувалося на фенотипових відмінностях на рівні клітинних органел. Натомість філогенетичний зв’язок має базуватися на широко поширеній молекулі. Рибосомальна РНК (рРНК) є однією з таких біомолекул, яка присутня у всіх системах, що самовідтворюються, і чиї послідовності змінюються дуже мало з часом. Аналіз, заснований на характеристиці послідовності рРНК, викликав необхідність групування живих організмів у еубактерії (включаючи всі типові бактерії), археї, і еукаріоти¹.  

Згодом почали з’являтися докази більш тісного зв’язку між археями та еукаріотами. У 1983 році було встановлено, що ДНК-залежні РНК-полімерази архей і еукаріот однотипні; обидва виявляють разюче подібні імунохімічні властивості, і обидва походять від спільної предкової структури². Інше дослідження, опубліковане в 1989 році, ґрунтуючись на висунутому складному філогенетичному дереві білкової пари, виявило більш тісний зв’язок між археями та еукаріотами, ніж з еубактеріями.³. До цього часу архейське походження с еукаріот було встановлено, але точні види археологів ще належить ідентифікувати та вивчати.  

Зростання геномних досліджень після успіху в геномний проект, забезпечили вкрай необхідне доповнення до цієї сфери. У 2015-2020 роках кілька досліджень показали, що Асгард археї несуть специфічні для еукаріот гени. Їхні геноми збагачені білками, які вважаються специфічними для еукаріот. Ці дослідження чітко визначили, що асгардські археї мають найбільшу генетичну близькість до еукаріотів через наявність сотень генів еукаріотичних сигнатурних білків (ESP) у їхньому геномі.  

Наступним кроком була фізична візуалізація внутрішньої клітинної структури асгардських архей, щоб підтвердити роль ESP, оскільки широко вважається, що ESP відіграють ключову роль у формуванні складних клітинних структур. Для цього були потрібні дуже збагачені культури цієї археї, але Асгард, як відомо, невловимий і таємничий. викликаючи труднощі при культивуванні в достатньо великій кількості, щоб вивчити їх у лабораторії. Згідно з дослідженням, опублікованим нещодавно 21 грудня 2022 року, ця проблема тепер подолана.  

Після шести років наполегливої ​​роботи дослідники реалізували імпровізовані методи та успішно культивували в лабораторії дуже збагачену культуру 'Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', член групи Асгард. Це було видатним досягненням також тому, що це дозволило дослідникам візуалізувати та вивчити внутрішні клітинні структури Асгарда.    

Кріоелектронну томографію використовували для зображення культури збагачення. Клітини Асгарда мали тіла кокоїдних клітин і мережу розгалужених виступів. Структура поверхні клітини була складною. Цитоскелет простягається по всьому клітинному тілу. Скручені дволанцюгові нитки містять локіактин (тобто гомологи актину, кодовані Lokiarchaeota). Таким чином, клітини Асгарда мали складний цитоскелет на основі актину, який, на думку дослідників, передував еволюції перших еукаріот.  

Як перше конкретне фізичне/візуальне свідчення архейного походження еукаріотів, це значний прогрес у біології.

*** 

Список використаної літератури:  

1. Woese CR і Fox GE, 1977. Філогенетична структура прокаріотичного домену: первинні царства. Опубліковано листопад 1977 р. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Юет, Дж., та ін 1983. Архебактерії та еукаріоти мають ДНК-залежні РНК-полімерази загального типу. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Івабе, Н., та ін 1989. Еволюційний зв'язок архебактерій, еубактерій та еукаріот, встановлений на основі філогенетичних дерев дубльованих генів. Proc. Нац. акад. Sci. США 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Родрігес-Олівейра, Т., та ін. 2022. Актиновий цитоскелет і складна клітинна архітектура в археоні Асгарда. Опубліковано: 21 грудня 2022. Природа (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***