Походження еукаріот являється однією із найскладніших проблем в еволюційній біології. Як в процесі еволюції з'явилися на світ складно влаштовані еукаріотичні живі клітини? Ключ до питання, на який досі не знайдено остаточної відповіді, можливо прихований на дні океану.
Традиційно існує класична трьохдоменна система, яка ділить всі клітинні організми на три домени (надцарства): бактерії, археї і еукаріоти. Проте недавнє відкриття нового виду архей, змусило переглянути цю систему та подивитись на еволюційну картину зовсім по-інакшому.
Після геномного аналізу знайдених архей, було висунуто гіпотезу, про те, що археї являються предками еукаріот. Метагеномний аналіз підтвердив цю гіпотезу, показавши, що в філогенетичному дереві найближчими родичами еукаріот являються нещодавно знайдені археї, які належать до типу Lokiarchaeota.
Рис.1.Трьохдоменний (зліва) і двохдоменний варіанти дерева життя. Відповідно до класичної трьохдоменній версії, еукаріоти відділилися від спільних з археями предків до того, як почалася розбіжність груп сучасних архей (евріархей, кренархей та ін.). Згідно двохдоменній версії, еукаріоти - одна з гілочок архей, відокремилися вже після початку їх дивергенції. Рисунок із сайту ru.wikipedia.org.
Lokiarchaeota. Історія відкриття.
У донних відкладеннях на глибині 3283 м в Атлантичному океані поруч з гідротермальним джерелом «Замок Локі» були виявлені мікроорганізми із надцарства архей. На території Замка Локі знаходиться унікальна екосистема, населена мікроорганізмами і тваринами. Неподалік від цього гідротермального джерела було взято зразок ґрунту для вивчення геномів, щоб вияснити хто може там мешкати. Проте дізнатися хто саме населяє цей ґрунт не так просто.
Рис.2. Замок Локі.
Світ мікробів надзвичайно різноманітний і ті мікроорганізми, які ми знаємо на сьогодні, становлять приблизно 1% від усіх існуючих. В основному це ті бактерії, які входять до складу нашого мікробіому. Ми можемо вивчати їх будову та метаболізм правильно підібравши поживне середовище та умови культивування. А всі інші мікроорганізми, на жаль, не піддаються культивуванню, саме тому ми мало що про них знаємо. На допомогу вченим прийшла метагеноміка.
Метагеноміка – це розділ молекулярної генетики, в якому вивчається генетичний матеріал, отриманий із зразків навколишнього середовища. Метагеноміка вивчає набір генів всіх мікроорганізмів, що знаходяться в зразку середовища, - метагеном. Метагеномний аналіз дозволяє визначити видову різноманітність досліджуваного зразка без необхідності виділення і культивування мікроорганізмів.
Основною перевагою використання метагеномного підходу є врахування не лише культивованих мікроорганізмів, але і некультивованих. Цей метод є дуже зручним для досліджень мікроорганізмів, які мешкають глибоко під водою, чи населяють донні відкладення.
Дослідникам з Уппсальского університету (Швеція) і Бергенського університету (Норвегія) вдалося подолати технічні перешкоди, які до недавніх пір здавалися нездоланними, і зібрати з шматочків геному майже повний геном одного мікроба з загадкової групи DSAG, а також неповні геноми двох інших її представників.
Після проведення метагеномного аналізу даного зразка ґрунту було визначено, які саме організми населяють цю територію. Аналіз послідовностей 16S рРНК показав, що частка архей з групи DSAG (Deep-Sea Archaeal Group — «глибоководна група архей») в пробі надзвичайно висока (близько 10% всіх прокаріотів і більше 70% архей в пробі належать до цієї групи).
Оскільки природа DSAG після складання геномів багато в чому прояснилася, автори присвоїли групі більш виразнішу назву. Вони нарекли глибоководних мікробів «локіархеями» (Lokiarchaeota) в честь гідротермального району Замок Локі, а також у зв'язку з тим, що суперечки міфологів навколо фігури цього скандинавського бога можна порівняти за гостротою зі сварками біологів про походження еукаріот. Той представник групи, чий геном зібрали майже повністю, був названий Lokiarchaeum, двох інших позначили поки що умовно: Loki2 і Loki3.
Рис.3. Еволюційне дерево архей, побудоване на послідовностях 36 консервативних білків.
Lokiarchaeum
Геном Lokiarchaeum включає 5381 білок-кодуючих генів. З них 32% не відповідають будь-якому відомому білку, 26% близько нагадують білки архей, а 29% відповідають бактеріальним білкам. Ці результати пояснюються тим, що білки, які належать новому типу архей, мають мало близьких родичів або позбавлені їх зовсім, складно віднести до правильного домену. Попередні дослідження показали наявність значного горизонтального переносу генів між бактеріями і археями. Невелика, але важлива частка білків (175, 3,3%) найближче стоять до білків еукаріот.
Зі 175 білок-кодуючих генів, схожих на еукаріотичні, знайдені ESPs (eukaryotic signature proteins) - білки, які вважаються унікальними для еукаріот. Інший білок, загальний для еукаріот і Lokiarchaeum – актин. У геномі Lokiarchaeum є цілих п'ять генів, що кодують білки, схожі на еукаріотичні актини і актиноподібні білки (ARPs, actin-related proteins). Ці білки локіархей («локіактини») набагато ближчі до актину еукаріот, ніж відкриті раніше у інших архей гомологи актину - так звані кренактіни. Ці дані показують те, що у локіархей з великою вірогідністю наявний актиновий цитоскелет.
Актин необхідний для фагоцитозу у еукаріот, тобто активного поглинання харчових частинок. Здатність до фагоцитозу могла полегшити ендосимбіотичну появу мітохондрій, наявність яких служить однією з ключових відмінностей прокаріотів і еукаріотів, а також хлоропластів.
Крім актину у Lokiarchaeum були виявлені інші важливі еукаріотичні білки: малі GTPази Ras, комплекс генів ESCRT, необхідний для вигинів мембрани і роботи убіквітин-опосередкованої системи деградації білка, характерної для еукаріот. Рибосоми Lokiarchaeum стоять ближче до рибосом еукаріот, ніж будь-які інші прокаріотичні рибосоми, зокрема, з прокаріотів тільки у Lokiarchaeum є еукаріотичний рибосомний білок L22e.
Таким чином, локіархеї виявилися своєрідними перехідними формами, що заповнюють проміжок між типовими про- і еукаріотами. Важливість цього відкриття для вирішення проблеми походження еукаріот важко переоцінити. Аналіз геному локіархей і його порівняння з геномами інших представників клади TACK показали, що архейний предок еукаріот мав складну будову і володів багатьма провідними ознаками, які раніше вважалися унікальними для еукаріот. Такі еукаріотичні ознаки, як убіквітинова система деградації старих білків, актиновий цитоскелет, везикулярний транспорт, а можливо, і фагоцитоз, необхідний для захоплення симбіонтів, - все це, ймовірно, вже було у тих архей, які дали початок еукаріотам, подружившись з альфапротеобактерією - предком майбутніх мітохондрій.
Зростаючі можливості метагеноміки і комп'ютерного аналізу нуклеотидних послідовностей дозволяють сподіватися, що серед некультивованих мікробів - цієї «темної матерії» світу прокаріотів - буде знайдено ще чимало цікавих форм. Серед локіархей цілком можуть виявитися види, які стоять ще ближче до еукаріотів, ніж описані зараз.
Список використаної літератури
1) Anja Spang, Jimmy H. Saw, Steffen L. Jørgensen, Katarzyna Zaremba-Niedzwiedzka, Joran Martijn, Anders E. Lind, Roel van Eijk, Christa Schleper, Lionel Guy & Thijs J. G. Ettema. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes // Nature. 06 May 2015.
2) T. Martin Embley & Tom A. Williams. Steps on the road to eukaryotes // Nature. 06 May 2015.
3) Eugene V. Koonin. Archaeal ancestors of eukaryotes: not so elusive any more // BMC Biology. December 2015
4) Daniel R. Garza, Bas E. Dutilh. From cultured to uncultured genome sequences: metagenomics and modeling microbial ecosystems // Cellular and Molecular Life Sciences. November 2015, Volume 72, Issue 22, pp 4287–4308