Эўкарыёты: гісторыя іх археальнага паходжання

Традыцыйная групоўка формаў жыцця на пракарыёт і эўкарыёт была перагледжана ў 1977 г., калі характарыстыка паслядоўнасці рРНК паказала, што археі (тады іх называлі «архебактэрыямі») «гэтак жа аддалена звязаны з бактэрыямі, як бактэрыі з эўкарыётамі». Гэта выклікала неабходнасць групавання жывых арганізмаў. на эўбактэрыі (уключае ўсе тыповыя бактэрыі), археі і эўкарыёт. Пытанне аб паходжанні эўкарыёт заставалася адкрытым. З часам пачалі з'яўляцца доказы на карысць архейнага паходжання эўкарыёт. Асаблівую цікавасць выклікала адкрыццё таго, што ў геноме асгардскіх архей ёсць некалькі сотняў генаў эукарыятычных бялкоў (ESP). ЭСП адыгрываюць вырашальную ролю ў развіцці цыташкілета і характарыстык складаных клеткавых структур эўкарыёт. У прарыўным даследаванні, апублікаваным 21 снежня 2022 г., даследчыкі паведамілі аб паспяховым вырошчванні ўзбагачанай культуры няўлоўных асгардскіх архей, якую яны выявілі з дапамогай крыяэлектроннай тамаграфіі. Яны назіралі, што клеткі Асгарда сапраўды мелі складаны цыташкілет на аснове актыну. Гэта было першае прамое візуальнае сведчанне архейнага паходжання эўкарыёт, значны крок у разуменні паходжання эўкарыёт.  

Да 1977 года формы жыцця на Зямлі былі згрупаваны ў эукарыёты (складаныя формы, якія характарызуюцца ўключэннем генетычнага матэрыялу клеткі ў выразна акрэсленае ядро ​​і наяўнасцю цыташкілета) і пракарыёты (больш простыя формы жыцця з генетычным матэрыялам у цытаплазме без пэўнага ядра, у тым ліку бактэрыі і архебактэрыі). Лічылася, што сотавы эукарыёты адбыліся каля 2 мільярдаў гадоў таму, верагодна, з пракарыётаў. Але як менавіта ўзніклі эукарыёты? Як складаныя клеткавыя формы жыцця звязаны з больш простымі клеткавымі формамі жыцця? Гэта было вялікае адкрытае пытанне ў біялогіі.  

Тэхналагічныя дасягненні ў галіне малекулярнай біялогіі генаў і бялкоў дапамаглі паглыбіцца ў сутнасць праблемы, калі ў 1977 годзе было выяўлена, што археі (тады іх называлі «архебактэрыямі»)гэтак жа аддалена звязаныя з бактэрыямі, як і бактэрыі эукарыёты».Ранейшае адрозненне формаў жыцця на пракарыёт і эўкарыёт было заснавана на фенатыпічных адрозненнях на ўзроўні клеткавых арганэл. Замест гэтага філагенетычныя адносіны павінны грунтавацца на шырока распаўсюджанай малекуле. Рыбасомальная РНК (рРНК) - гэта адна з такіх біямалекул, якая прысутнічае ва ўсіх сістэмах, якія самарэплікуюцца, і чыя паслядоўнасць вельмі мала змяняецца з часам. Аналіз, заснаваны на характарыстыках паслядоўнасці рРНК, выклікаў неабходнасць групавання жывых арганізмаў у эўбактэрыі (уключаючы ўсе тыповыя бактэрыі), архей, і эукарыёты¹.  

У далейшым пачалі з'яўляцца доказы больш цесных адносін паміж археямі і эўкарыётамі. У 1983 г. было ўстаноўлена, што ДНК-залежныя РНК-полимеразы архей і эукарыёты аднолькавыя; абодва дэманструюць дзіўна падобныя імунахімічныя ўласцівасці і абодва паходзяць з агульнай структуры продкаў². Іншае даследаванне, апублікаванае ў 1989 г., заснаванае на меркаваным кампазітным філагенетычным дрэве бялковай пары, паказала больш цесную сувязь архей з эўкарыётамі, чым з эўбактэрыямі³. Да гэтага часу археалагічнае паходжанне в эукарыёты было ўстаноўлена, але дакладныя віды археяў яшчэ трэба было вызначыць і вывучыць.  

Рост геномных даследаванняў пасля поспеху ў праект геному, забяспечылі гэтак неабходнае папаўненне гэтай вобласці. У перыяд з 2015 па 2020 г. некалькі даследаванняў паказалі, што Асгард архей нясуць спецыфічныя для эукарыёт гены. Іх геномы ўзбагачаны вавёркамі, якія лічацца спецыфічнымі для эукарыёт. Гэтыя даследаванні дакладна паказалі, што асгардскія археі маюць найбольшую генетычную блізкасць да эўкарыёт дзякуючы наяўнасці ў іх геноме сотняў генаў эўкарыётычных сігнатурных бялкоў (ESP).  

Наступным крокам была фізічная візуалізацыя ўнутранай структуры склепа асгардскіх архей, каб пацвердзіць ролю ESP, паколькі шырока распаўсюджана меркаванне, што ESP гуляюць ключавую ролю ў фарміраванні складаных клеткавых структур. Для гэтага спатрэбіліся ўзбагачаныя культуры гэтай археі, але Асгард, як вядома, няўлоўны і таямнічы. выклікаючы цяжкасці пры вырошчванні ў дастаткова вялікай колькасці, каб вывучыць іх у лабараторыі. Згодна з даследаваннем, апублікаваным нядаўна 21 снежня 2022 г., цяпер гэтая цяжкасць пераадолена.  

Пасля шасці гадоў напружанай працы даследчыкі ўкаранілі імправізаваныя метады і паспяхова вырасцілі ў лабараторыі вельмі ўзбагачаную культуру 'Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', член Асгардскага тыпу. Гэта было выдатным дасягненнем таксама таму, што гэта дазволіла даследчыкам візуалізаваць і вывучыць унутраныя клеткавыя структуры Асгарда.    

Крыяэлектронная тамаграфія была выкарыстана для выявы культуры ўзбагачэння. Клеткі Асгарда мелі целы коккоідных клетак і сетку разгалінаваных выступаў. Структура клетачнай паверхні была складанай. Цыташкілет распасціраецца па ўсім целе клетак. Скручаныя двухцепочечные ніткі складаюцца з лакіактыну (гэта значыць, гамолагі актыну, закадаваныя Lokiarchaeota). Такім чынам, клеткі Асгарда мелі складаны актынавы цыташкілет, які, на думку даследчыкаў, папярэднічаў эвалюцыі першых эукарыёты.  

Як першае канкрэтнае фізічнае/візуальнае сведчанне архейнага паходжання эўкарыёт, гэта выдатны прагрэс у біялогіі.

*** 

Спасылкі:  

1. Woese CR і Fox GE, 1977. Філагенетычная структура пракарыётычнага дамена: першасныя каралеўствы. Апублікавана ў лістападзе 1977 г. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Юэт, Дж., і інш 1983. Архебактэрыі і эукарыёт валодаюць ДНК-залежнымі РНК-полимеразами агульнага тыпу. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Івабэ, Н., і інш 1989. Эвалюцыйнае ўзаемасувязь архебактэрый, эубактэрый і эукарыёт, выведзенае з філагенетычных дрэў дубляваных генаў. Прац. Нац. акад. навук. ЗША 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Радрыгес-Алівейра, Т., і інш. 2022. Цыташкілет актыну і складаная клеткавая архітэктура ў археоне Асгарда. Апублікавана: 21 снежня 2022 г. Прырода (2022 г.). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***