Життя зародилося в архейську епоху. Оскільки перші живі організми ще мали ніяких скелетних утворень, від них майже залишилося слідів. Однак наявність серед архейських відкладень порід органічного походження - вапняків, мармуру, графіту та інших - вказує на існування цієї епохи примітивних живих організмів. Ними були одноклітинні доядерні організми (прокаріоти): бактерії та синьо-зелені водорості.
Життя у воді було можливе завдяки тому, що вода захищала організми від згубної дії ультрафіолетових променів. Саме тому море змогло стати колискою життя.
4 великі події архейської ери
В архейську еру в еволюції органічного світу та розвитку життя відбулося чотири великі події (ароморфоза):
- З'явилися еукаріоти;
- фотосинтез;
- статевий процес;
- багатоклітинність.
Поява еукаріотів пов'язана з утворенням клітин, що мають справжнє ядро (що містить хромосоми) та мітохондрії. Тільки такі клітини здатні ділитися мітотично, що забезпечило хорошу безпеку та передачу генетичного матеріалу. Це було причиною виникнення статевого процесу.
Перші жителі нашої планети були гетеротрофними та харчувалися за рахунок органічних речовин абіогенного походження, розчинених у первородному океані. Прогресивний розвиток первинних живих організмів забезпечив надалі величезний стрибок (ароморфоз) у розвитку життя: виникнення аутотрофів, які використовують сонячну енергію для синтезу органічних сполук із найпростіших неорганічних.
Зрозуміло, не відразу виникла така складна сполука, як хлорофіл. Спочатку з'явилися просто влаштовані пігменти, що сприяли засвоєнню органічних речовин. З цих пігментів розвинувся, мабуть, хлорофіл.
Згодом у первородному океані стали вичерпуватися органічні речовини, що накопичилися в ньому абіогенним шляхом. Поява аутотрофних організмів, насамперед зелених рослин здатних до фотосинтезу, забезпечила подальший безперервний синтез органічних речовин завдяки використанню сонячної енергії (космічна роль рослин), а отже, існування та подальший розвиток життя.
З виникненням фотосинтезу відбулася дивергенція органічного світу на два стволи, що відрізняються способом харчування. Завдяки появі аутотрофних фотосинтезуючих рослин вода та атмосфера стали збагачуватися вільним киснем. Цим було зумовлено можливість появи аеробних організмів, здатних до ефективнішого використання енергії у процесі життєдіяльності.
Накопичення кисню в атмосфері призвело до утворення у верхніх шарах озонового екрану, що не пропускає згубних для життя ультрафіолетових променів. Це підготувало можливість життя на сушу. Поява фотосинтезуючих рослин забезпечила можливість існування та прогресивного розвитку гетеротрофних організмів.
Поява статевого процесу зумовило виникнення комбінативної мінливості, підтриманої відбором. Нарешті, мабуть, у цю епоху від колоніальних джгутикових відбулися багатоклітинні організми. Появою статевого процесу та багатоклітинності була підготовлена подальша прогресивна еволюція.
Російські палеонтологи заклали бомбу під традиційні погляди на походження життя на планеті. Історію Землі треба переписувати.
Вважається, що життя зародилося на нашій планеті приблизно 4 мільярди років тому. І першими мешканцями Землі були бактерії. Мільярди окремих особин склали колонії, що покрили живою плівкою безкраї простори морського дна. Стародавні організми змогли пристосуватися до реалій суворої дійсності. Високі температури та безкисневе середовище - це умови, за яких швидше можна померти, ніж залишитися живими. Але бактерії витримали. Адаптуватися до агресивного середовища одноклітинний світ зміг завдяки своїй простоті. Бактерія – це клітина, усередині якої немає ядра. Такі організми називають прокаріотами. Наступний виток еволюції пов'язаний з еукаріотами – клітинами з ядром. Перехід життя на наступний рівень розвитку стався, як донедавна були переконані вчені, близько 1,5 мільярда років тому. Але сьогодні думки фахівців щодо цієї дати розділилися. Причиною цього стала сенсаційна заява дослідників із Палеонтологічного інституту РАН.
Дайте повітря!
Прокаріоти зіграли значної ролі історія еволюції біосфери. Якби не було їх, не було б і життя на Землі. Але світ без'ядерних істот не міг прогресивно розвиватися. Якими прокаріоти були 3,5-4 мільярди років тому, майже такими ж вони залишились і досі. Прокаріотична клітина нездатна створити складний організм. Щоб еволюція рушила далі і дала початок складнішим формам життя, був потрібний інший, досконаліший тип клітини - клітина з ядром.
Появі еукаріотів передувала одна дуже важлива подія: в атмосфері Землі з'явився кисень. Клітини без ядер могли жити в безкисневому середовищі, а еукаріоти вже немає. Першими виробниками кисню, найімовірніше, були ціанобактерії, які знайшли ефективний метод фотосинтезу. Що він міг являти собою? Якщо до цього як донор електрона бактерії використовували сірководень, то в якийсь момент вони навчилися отримувати електрон із води.
"Перехід до використання такого практично необмеженого ресурсу, як вода, відкрив перед ціанобактеріями еволюційні можливості", - вважає науковець Палеонтологічного інституту РАН Олександр Марков. Замість звичних сірки та сульфатів у процесі фотосинтезу став виділятися кисень. А далі, як кажуть, почалося найцікавіше. Поява першого організму з клітинним ядром відкрило широкі змогу еволюції всього живого Землі. Розвиток еукаріотів призвело до виникнення таких складних форм, як рослини, гриби, тварини і, звичайно, людина. Всі вони мають однаковий тип клітини, у центрі якої знаходиться ядро. Цей компонент відповідає за зберігання та передачу генної інформації. Він вплинув те що, що еукаріотичні організми стали відтворювати себе шляхом статевого розмноження.
Біологи та палеонтологи вивчили еукаріотичну клітину настільки докладно, наскільки це було можливо. Вони припускали, що вони також відомі час походження перших еукаріотів. Фахівці називали цифри 1-1,5 мільярда років тому. Але зненацька з'ясувалося, що ця подія сталася набагато раніше.
Несподівана знахідка
Ще 1982 року палеонтолог Борис Тимофєєв провів цікаве дослідження та опублікував його результати. В архейських та нижньопротерозойських породах (2,9-3 мільярди років) на території Карелії він виявив незвичайні скам'янілі мікроорганізми розміром близько 10 мікрометрів (0,01 міліметра). Більшість знахідок мала кулясту форму, поверхню якої покривали складки та візерунки. Тимофєєв зробив припущення, що він виявив акритархи – організми, які відносять до представників еукаріотів. Раніше подібні зразки органіки палеонтологи знаходили лише у молодших відкладах - віком близько 1,5 мільярда років. Про це відкриття вчений і написав у своїй книзі. "Якість друку того видання була просто жахливою. З ілюстрацій взагалі було неможливо щось зрозуміти. Зображення являли собою сірі плями, що розпливлися, - розповідає Олександр Марков, - тому не дивно, що більшість читачів, прогорнувши цю працю, відкинули її в бік, благополучно ньому забувши". Сенсація, як це нерідко трапляється у науці, пролежала багато років на книжковій полиці.
Про роботу Тимофєєва випадково згадав директор Палеонтологічного інституту РАН доктор геолого-мінералогічних наук, член-кореспондент РАН Олексій Розанов. Він вирішив ще раз, використовуючи сучасні пристрої, дослідити колекцію карельських зразків. І дуже швидко переконався, що перед ним справді еукаріотоподібні організми. Розанов упевнений, що знахідка його попередника - важливе відкриття, яке є вагомим підґрунтям для перегляду існуючих поглядів на час першої появи еукаріотів. Дуже швидко у гіпотези з'явилися прибічники та противники. Але навіть ті, хто поділяє погляди Розанова, висловлюються з цього питання стримано: "У принципі поява еукаріотів 3 мільярди років тому можлива. Але це важко довести, - вважає Олександр Марков. - Середній розмір прокаріотів знаходиться в межах від 100 нанометрів до 1 мікрона, еукаріотів - від 2-3 до 50 мікрометрів. Насправді ж розмірні інтервали перекриваються. Дослідники часто знаходять зразки як гігантських прокаріотів, так і крихітних еукаріотів. Розмір - це не стовідсотковий доказ". Перевірити гіпотезу справді нелегко. У світі немає зразків еукаріотичних організмів, добутих з архейських отложений. Порівняти стародавні артефакти з їхніми сучасними аналогами також неможливо, тому що нащадки акритархів не дожили до наших днів.
Переворот у науці
Проте в науковій спільноті навколо ідеї Розанова здійнявся великий галас. Хтось категорично не сприймає знахідку Тимофєєва, оскільки впевнений, що 3 мільярди років тому на Землі не було кисню. Інших бентежить температурний фактор. Дослідники вважають, що якби еукаріотичні організми з'явилися за часів архею, то вони, грубо кажучи, одразу зварилися б. Олексій Розанов каже наступне: "Зазвичай такі параметри, як температура, кількість кисню в повітрі, солоність води визначають виходячи з геологічних і геохімічних даних. Я ж пропоную інший підхід. Спочатку за палеонтологічними знахідками оцінити рівень біологічної організації. Потім на підставі цих даних визначити Скільки кисню повинно було утримуватися в атмосфері Землі, щоб та чи інша форма життя могла нормально себе почувати... Якщо з'явилися еукаріоти, значить, в атмосфері вже мав бути кисень, в районі кількох відсотків від сучасного рівня. було становити вже десятки відсотків.Таким чином, можна скласти графік, що відображає появу організмів різного рівня організації в залежності від збільшення кисню та зменшення температури. Олексій Розанов схильний максимально відсунути у минулий момент появи кисню та гранично зменшити температуру давньої Землі.
Якщо вдасться довести, що Тимофєєв знайшов еукаріотоподібні мікроорганізми, що скам'янілі, це означатиме, що людству найближчим часом доведеться змінити звичне уявлення про перебіг еволюції. Даний факт дозволить говорити про те, що життя на Землі з'явилося значно раніше, ніж передбачалося. Крім того, виходить, що необхідно переглядати еволюційну хронологію життя на Землі, яка, виявляється, майже на 2 мільярди років старша. Але в такому разі залишається незрозумілим, коли, де, на якому етапі розвитку стався розрив еволюційного ланцюжка або чому сповільнився її перебіг. Іншими словами, зовсім неясно, що відбувалося на Землі цілих 2 мільярди років, де весь цей час ховалися еукаріоти: занадто велика біла пляма утворюється в історії нашої планети. Потрібний черговий перегляд минулого, а це колосальна робота за своїм обсягом, якій, можливо, ніколи не буде кінця.
ДУМКИ
Довжиною в життя
Володимир Сергєєв, доктор геолого-мінералогічних наук, провідний науковий співробітник Геологічного інституту РАН:
На мій погляд, з такими висновками треба бути обережнішими. Дані Тимофєєва побудовано матеріалі, що має вторинні зміни. І це основна проблема. Клітини еукаріотоподібних організмів зазнали хімічного розкладання, крім того їх могли зруйнувати бактерії. Я вважаю за необхідне зробити повторний ретельний аналіз тимофіївських знахідок. Що ж до часу появи еукаріотів, то більшість фахівців вважають, що вони з'явилися 1,8-2 мільярди років тому. Є деякі знахідки, біомаркери яких говорять про виникнення цих організмів 2,8 мільярда років тому. У принципі цю проблему пов'язують із появою кисню у атмосфері Землі. За загальноприйнятою думкою, вона сформувалася 2,8 мільярда років тому. А Олексій Розанов відсуває цей час до 3,5 мільярдів років. На мій погляд, це не відповідає дійсності.
Олександр Бєлов, палеоантрополог:
Все, що наука сьогодні знаходить - це лише частка того матеріалу, який, можливо, ще існує на планеті. Форми, що збереглися, - дуже рідкісне явище. Справа в тому, що для консервації організмів потрібні особливі умови: вологе середовище, відсутність кисню, мінералізація. Мікроорганізми, які мешкали на суші, взагалі могли не дійти до дослідників. Саме за мінералізованими чи скам'янілими структурами вчені судять, яке життя було на планеті. Матеріал, який потрапляє до рук вчених, є перемішаними фрагментами з різних епох. Класичні висновки щодо виникнення життя на Землі, можливо, не відповідають дійсності. На мій погляд, вона не розвивалася від простого до складного, а з'явилася миттєво.
Майя Пригунова, журнал "Підсумки" № 45 (595)
Поява еукаріотів – найважливіша подія. Змінило структуру біосфери та відкрило принципово нові можливості для прогресивної еволюції. Еукаріотична клітина є результатом довгої еволюції світу прокаріотів, світу, в якому різноманітні мікроби пристосовувалися один до одного і шукали способи ефективної кооперації.
Малюнок хронології (повторення)
Фотосинтезуючий прокаріотичний комплекс Chlorochromatium aggregatum.
Еукаріоти виникли внаслідок симбіозу кількох видів прокаріотів. Прокаріоти взагалі дуже схильні до симбіозу (див. розділ 3 у книзі «Народження складності»). Ось цікава симбіотична система, відома під назвою Chlorochromatium aggregatum. Живе у глибоких озерах, де є на глибині безкисневі умови. Центральний компонент – рухлива гетеротрофна бета-протеобактерія. Навколо неї стосами розташовуються від 10 до 60 фотосинтезуючих зелених сірчаних бактерій. Усі компоненти з'єднані виростами зовнішньої мембрани центральної бактерії. Сенс співдружності в тому, що рухлива бета-протеобактерія перетягує всю компанію в місця, сприятливі для життя вибагливих бактерій сірчаних, а сірчані бактерії займаються фотосинтезом і забезпечують їжею і себе, і бета-протеобактерію. Можливо, якісь древні мікробні асоціації приблизно такого типу були предками еукаріотів.
Теорія симбіогенезу. Мережківський, Маргуліс. Мітохондрії – нащадки альфа-протеобактерій, пластиди – нащадки ціанобактерій. Важче зрозуміти, хто був предком решти, тобто цитоплазми та ядра. Ядро і цитоплазма еукаріотів поєднує в собі ознаки архей і бактерій, а також має безліч унікальних особливостей.
Про мітохондрії. Можливо, саме придбання мітохондрій (а не ядра) було ключовим моментом у становленні еукаріотів. Більшість генів предків мітохондрій було перенесено до ядра, де вони потрапили під контроль ядерних регуляторних систем. Ці ядерні гени мітохондріального походження кодують не лише білки мітохондрій, а й багато білків, що працюють у цитоплазмі. Це говорить про те, що мітохондріальний симбіонт зіграв важливішу роль у формуванні еукаріотичної клітини, ніж передбачалося.
Спільне існування однієї клітині двох різних геномів вимагало розвитку ефективної системи їх регуляції. А для того, щоб ефективно керувати роботою великого геному, необхідно ізолювати геном від цитоплазми, в якій протікає обмін речовин та йдуть тисячі хімічних реакцій. Ядерна оболонка таки відокремлює геном від бурхливих хімічних процесів цитоплазми. Придбання симбіонтів (мітохондрій) могло стати важливим стимулом у розвитку ядра та генно-регуляторних систем.
Те саме стосується і статевого розмноження. Без статевого розмноження можна жити доти, доки геном у вас досить невеликий. Організми з великим геномом, але позбавлені статевого розмноження приречені на швидке вимирання, за рідкісними винятками.
Альфапротеобактерії – до цієї групи належали батьки мітохондрій.
Родоспірилум - дивовижний мікроорганізм, який може жити і за рахунок фотосинтезу, в тому числі і в анаеробних умовах, і як гетеротроф аеробний, і навіть як аеробний хемоавтотроф. Він може, наприклад, зростати за рахунок окислення чадного газу, не використовуючи жодних інших джерел енергії. До того ж, він вміє ще й фіксувати атмосферний азот. Тобто це надзвичайно універсальний організм.
Імунна система приймає мітохондрії за бактерії. Коли при травмі в кров потрапляють зруйновані мітохондрії, з них вивільняються характерні молекули, які зустрічаються тільки у бактерій і мітохондрій (кільцева ДНК бактеріального типу і білки, що несуть на одному зі своїх кінців особливу модифіковану амінокислоту формілметіонін). Це пов'язано з тим, що апарат синтезу білка в мітохондріях залишився таким самим, як у бактерій. Клітини імунної системи – нейтрофіли – реагують на ці мітохондріальні речовини так само, як на бактеріальні, і за допомогою тих же рецепторів. Це найяскравіше підтвердження бактеріальної природи мітохондрій.
Головна функція мітохондрій – кисневе дихання. Швидше за все, стимулом для поєднання анаеробного предка ядра та цитоплазми з «протомітохондрією» була необхідність захиститися від токсичної дії кисню.
Звідки взялися у бактерій, у тому числі альфапротеобактерій, молекулярні системи, необхідні для кисневого дихання? Схоже, в їх основу було покладено молекулярні системи фотосинтезу. Електронно-транспортний ланцюг, що сформувався у бактерій як частина фотосинтетичного апарату, був адаптований для кисневого дихання. У деяких бактерій досі ділянки електронно-транспортних ланцюгів використовуються одночасно і у фотосинтезі, і диханні. Найімовірніше предками мітохондрій були аеробні гетеротрофні альфа-протеобактерії, які, своєю чергою, походять від фотосинтезирующих альфа-протеобактерій, як-от родоспириллум.
Число загальних та унікальних білкових доменів у архей, бактерій та еукаріотів. Білковий домен – це частина білкової молекули, що має певну функцію та характерну структуру, тобто послідовність амінокислот. Кожен білок зазвичай містить один або кілька таких структурно-функціональних блоків, або доменів.
4,5 тисячі білкових доменів, які є у еукаріотів, можна розділити на 4 групи: 1) наявні тільки у еукаріотів, 2) загальні для всіх трьох надцарств, 3) загальні для еукаріотів та бактерій, але відсутні у архей; 4) загальні для еукаріотів та архей, але відсутні у бактерій. Ми розглянемо дві останні групи (вони на малюнку виділені кольором), оскільки для цих білків можна з певною впевненістю говорити про їхнє походження: відповідно бактеріальне або архейне.
Ключовий момент у тому, що еукаріотичні домени, ймовірно успадковані від бактерій та від архей, мають суттєво різні функції. Домени, успадковані від архей (їх функціональний спектр показаний на лівому графіку), відіграють ключову роль життя еукаріотичної клітини. Серед них переважають домени, пов'язані зі зберіганням, відтворенням, організацією та зчитуванням генетичної інформації. Більшість "архейних" доменів відноситься до тих функціональних груп, в межах яких горизонтальний обмін генами у прокаріотів відбувається найрідше. Очевидно, еукаріоти отримали цей комплекс шляхом прямого (вертикального) наслідування від архей.
Серед доменів бактеріального походження також є білки, пов'язані з інформаційними процесами, але їх мало. Більшість із них працює тільки в мітохондріях або пластидах. Еукаріотичні рибосоми цитоплазми мають архейне походження, рибосоми мітохондрій та пластид мають бактеріальне походження.
Серед бактеріальних доменів еукаріотів значно вища частка сигнально-регуляторних білків. Від бактерій еукаріоти успадкували багато білків, які відповідають за механізми реагування клітини на фактори зовнішнього середовища. А також – багато білків, пов'язаних з обміном речовин (докладніше див. розділ 3 «Народження складності»).
Еукаріоти мають:
· Архейну «серцевину» (механізми роботи з генетичною інформацією та синтезу білка)
· Бактеріальну «периферію» (обмін речовин та сигнально-регуляторні системи)
· Найпростіший сценарій: АРХЕЯ проковтнула БАКТЕРІЙ (предків мітохондрій і пластид) і всі свої бактеріальні ознаки набула від них.
· Цей сценарій занадто простий, тому що у еукаріотів багато бактеріальних білків, які не могли бути запозичені у предків мітохондрій або пластид.
У еукаріотів багато «бактеріальних» доменів, не характерних ні для ціанобактерій (предків пластид), ні для альфапротеобактерій (предків мітохондрій). Вони були отримані від якихось інших бактерій.
Птахи та динозаври. Реконструювати прото-еукаріотів важко. Зрозуміло, що та група стародавніх прокаріотів, яка дала початок ядру та цитоплазмі, мала ряд унікальних особливостей, яких немає у прокаріотів, які дожили до наших днів. І коли ми намагаємося реконструювати вигляд цього предка, ми стикаємося з тим, що простір для гіпотез виявляється занадто великим.
Аналогія. Відомо, що птахи походять від динозаврів, причому не від якихось невідомих динозаврів, а від цілком певної групи – манірапторих динозаврів, які відносяться до тероподів, а тероподи у свою чергу – це одна з груп динозаврів ящеротазових. Знайдено багато перехідних форм між нелітаючими динозаврами та птахами.
Але що б ми могли сказати про предків птахів, якби викопного літопису не було? У кращому разі ми з'ясували б, що найближчою рідною птахів є крокодили. Але чи змогли б ми відтворити вигляд прямих предків птахів, тобто динозаврів? Навряд чи. Але саме в такому становищі ми і знаходимося, коли намагаємось відновити вигляд предка ядра та цитоплазми. Зрозуміло, що це була група деяких прокаріотичних динозаврів, група вимерла і залишила, на відміну справжніх динозаврів, виразних слідів у геологічної історії. Сучасні археї по відношенню до еукаріотів – це як сучасні крокодили по відношенню до птахів. Спробуйте відновити будову динозаврів, знаючи лише птахів та крокодилів.
Аргумент на користь того, що в докембрії жило багато всяких бактерій, не схожих на нинішні. Протерозойські строматоліти були набагато складнішими і різноманітнішими за сучасні. Строматоліти – продукт життєдіяльності мікробних угруповань. Чи не означає це, що й протерозойські мікроби були різноманітнішими за сучасні, і що багато груп протерозойських мікробів просто не дожили до наших днів?
Предкове співтовариство еукаріотів та походження еукаріотичної клітини (можливий сценарій)
Гіпотетичне «предкове співтовариство» - типовий бактеріальний мат, лише у його верхньому жили предки ціанобактерій, які ще не перейшли до оксигенного фотосинтезу. Вони займалися аноксигенним фотосинтезом. Донором електронів служила не вода, а сірководень. Як побічний продукт виділялися сірка та сульфати.
У другому шарі мешкали пурпурові фотосинтезуючі бактерії, у тому числі - альфапротеобактерії, предки мітохондрій. Пурпурні бактерії використовують довгохвильове світло (червоне та інфрачервоне). Ці хвилі мають кращу проникаючу здатність. Пурпурні бактерії і зараз живуть під шаром ціанобактерій. Пурпурні альфапротеобактерії теж використовують як донора електрона сірководень.
У третьому шарі були бактерії-бродильники, що переробляють органіку; деякі з них як відходи виділяли водень. Це створювало основу для сульфатредукуючих бактерій. Там могли бути й метаногенні археї. Серед архей, що жили тут, були і предки ядра і цитоплазми.
Початок кризових подій поклав перехід ціанобактерій до кисневого фотосинтезу. Як донора електрона ціанобактерії почали використовувати замість сірководню звичайну воду. Це відкривало великі можливості, але мало негативні наслідки. Замість сірки і сульфатів при фотосинтезі став виділятися кисень – речовина вкрай токсична всім давніх мешканців землі.
Першими з цією отрутою зіткнулися його виробники – ціанобактерії. Вони ж, мабуть, першими почали виробляти засоби захисту від нього. Електронно-транспортні ланцюги, що служили для фотосинтезу, були модифіковані та почали служити для аеробного дихання. Початкова мета, певне, полягала над отриманні енергії, лише у нейтралізації кисню.
Незабаром і мешканцям другого шару спільноти – пурпурним бактеріям – довелося виробляти аналогічні системи захисту. Так само, як і ціанобактерії, вони сформували системи аеробного дихання на основі фотосинтетичних систем. Саме у пурпурових альфапротеобактерій розвинулася найбільш досконала дихальна ланцюг, яка нині функціонує в мітохондріях еукаріотів.
У третьому шарі спільноти поява вільного кисню мала викликати кризу. Метаногени та багато сульфатредуктори утилізують молекулярний водень за допомогою ферментів-гідрогеназ. Такі мікроби не можуть жити в аеробних умовах, тому що кисень пригнічує гідрогенази. Багато бактерій, що виділяють водень, у свою чергу, не ростуть у середовищі, де немає мікроорганізмів, що його утилізують. З бродильників у складі спільноти, мабуть, залишилися форми, що виділяють як кінцеві продукти низькоорганічні сполуки (піруват, лактат, ацетат і т.п.). Ці бродильники виробили свої засоби захисту від кисню, менш ефективні. До тих, хто вижив, належали і археї - предки ядра і цитоплазми.
Можливо, у цей кризовий момент і відбулася ключова подія – ослаблення генетичної ізоляції у предків еукаріотів та початок активного запозичення чужих генів. Прото-еукаріоти інкорпорували гени різних бродильників до тих пір, поки не стали мікроаерофільними бродильниками, що зброджують вуглеводи до пірувату і молочної кислоти.
Мешканці третього шару – предки еукаріотів – тепер безпосередньо контактували з новими мешканцями другого шару – аеробними альфапротеобактеріями, які навчилися використовувати кисень для отримання енергії. Метаболізм прото-еукаріотів та альфапротеобактерій став взаємододатковим, що створювало передумови для симбіозу. Та й саме розташування альфапротеобактерій у співтоваристві (між верхнім, що виділяє кисень, і нижнім шаром) зумовлювало їх роль як «захисників» предків еукаріотів від надлишків кисню.
Ймовірно, прото-еукаріоти заковтували і набували як ендосимбіонти багатьох різних бактерій. Експериментування такого роду і зараз триває у одноклітинних еукаріотів, що мають величезну різноманітність внутрішньоклітинних симбіонтів. З цих експериментів союз із аеробними альфапротеобактеріями виявився найбільш вдалим.
Згідно з сучасними уявленнями, першими живими істотами Землі були одноклітинні прокаріотичні організми, до яких із сучасних живих істот найближче архебактерії. Вважають, що спочатку в атмосфері та Світовому океані не було вільного кисню, і в цих умовах жили та розвивалися лише анаеробні гетеротрофні мікроорганізми, які споживали готову органіку абіогенного походження. Поступово запас органіки вичерпувався, й у умовах важливим кроком у еволюції життя стало виникнення хемо- і фотосинтезирующих бактерій, які, використовуючи енергію світла і неорганічних сполук, перетворювали вуглекислий газ в вуглеводні сполуки, що є їжею інших мікроорганізмів. Перші автотрофи, мабуть, також були анаеробами. Переворот в історичному розвитку біосфери стався з появою ціанів, які почали здійснювати фотосинтез із кисню. Нагромадження вільного кисню, з одного боку, викликало масову загибель примітивних анаеробних прокаріотів, але, з іншого боку, створило умови для подальшої прогресивної еволюції життя, оскільки аеробні організми здатні до більш інтенсивного обміну речовин порівняно з анаеробними.
Поява еукаріотичної клітини є другою за значущістю (після зародження самого життя) подією біологічної еволюції. Завдяки більш досконалій системі регуляції геному еукаріотичних організмів різко зросла пристосовність одноклітинних організмів, їх здатність адаптуватися до мінливих умов без внесення спадкових змін до генома. Саме завдяки можливості адаптуватися, тобто змінюватись в залежності від зовнішніх умов, еукаріоти змогли стати багатоклітинними: адже в багатоклітинному організмі клітини з одним і тим самим геномом, залежно від умов, утворюють зовсім різні як за морфологією, так і за функцією тканини.
Еволюція еукаріотів призвела до появи багатоклітинності та статевого розмноження, що, у свою чергу, прискорило темпи еволюції.
Проблема поширеності життя у Всесвіті
Питання поширеності життя у Всесвіті не вирішено сучасною наукою. Постулюючи, що в умовах, подібних до тих, які були на молодій Землі, розвиток живого цілком імовірно, можна дійти висновку про те, що в нескінченному Всесвіті повинні зустрічатися форми життя, подібні до земних. На цій принциповій позиції стоять багато вчених. Тим самим підхоплюється думка Джордано Бруно про множинність заселених світів.
По-перше, у метагалактиці є безліч зірок, схожих на наше Сонце, отже, планетні системи можуть існувати не тільки у Сонця. Більше того, дослідження показали, що деякі зірки певних спектральних класів обертаються повільно навколо своєї осі, що може бути спричинене наявністю навколо цих зірок планетних систем. По-друге, молекулярні сполуки, необхідні початковій стадії еволюції неживої природи, досить поширені у Всесвіті і відкриті навіть у міжзоряному середовищі. За відповідних умов життя могло виникнути на планетах в інших зірок на кшталт еволюційного розвитку життя Землі. По-третє, не можна виключати можливість існування небілкових форм життя, принципово відмінних від тих, що поширені на Землі.
З іншого боку, багато вчених вважають, що навіть примітивне життя представляє собою настільки складну структурно і функціонально систему, що навіть за наявності на будь-якій планеті всіх необхідних для її виникнення умов, ймовірність її спонтанного зародження вкрай низька. Якщо ці міркування справедливі, то життя має бути вкрай рідкісним і можливо, в межах спостережуваного Всесвіту, унікальним явищем.
Виходячи з даних астрономії, можна однозначно зробити висновок, що в Сонячній системі та інших найближчих до нас зіркових системах умов для утворення цивілізацій не існує. Не виключається існування примітивних форм життя. Так, група американських вчених на основі аналізу структури так званого "марсіанського метеорита" вважає, що ними виявлено свідчення примітивного одноклітинного життя, яке існувало на Марсі в далекому минулому. Зважаючи на убогість подібного матеріалу, зараз не можна зробити однозначних висновків з даної проблеми. Можливо, у цьому допоможуть майбутні марсіанські експедиції.
Висновки з аналізу білкових гомологій у трьох надцарствах живої природи
Проаналізовано розподіл білкових доменів, внесених до 15-ої версії бази даних Pfam (серпень 2004 р.), у трьох надцарствах: Archaea, Bacteria та Eykaryota. Мабуть, із загальної кількості білкових доменів еукаріотів майже половина була успадкована від прокаріотичних предків. Від архей еукаріоти успадкували найважливіші домени, пов'язані з інформаційними процесами нуклеоцитоплазми (реплікацією, транскрипцією, трансляцією). Від бактерій успадковано значну частину доменів, пов'язаних з базовим метаболізмом і з сигнально-регуляторними системами. Очевидно, багато сигнально-регуляторних доменів, загальні для бактерій та еукаріотів, у перших виконували синекологічні функції (забезпечення взаємодії клітини з іншими компонентами прокаріотного співтовариства), а у других стали використовуватися для забезпечення узгодженої роботи клітинних органел і окремих клітин багатоклітинного організму. Багато еукаріотичних доменів бактеріального походження (у тому числі «синекологічні») не могли бути успадковані від предків мітохондрій та пластид, а були запозичені у інших бактерій. Запропоновано модель становлення еукаріотичної клітини шляхом низки послідовних симбіогенетичних актів. Згідно з цією моделлю, предком ядерно-цитоплазматичного компонента еукаріотичної клітини була архея, у якої в умовах кризи, викликаної зростанням концентрації вільного кисню в прокаріотному співтоваристві, різко активізувався процес інкорпорації чужорідного генетичного матеріалу із зовнішнього середовища.
Симбіогенетична теорія походження еукаріотів є зараз практично загальновизнаною. Вся сукупність молекулярно-генетичних, цитологічних та інших даних свідчить у тому, що еукаріотична клітина сформувалася шляхом злиття у єдиний організм кількох прокаріотів. Появі еукаріотичної клітини повинен був передувати більш менш тривалий період коеволюції її майбутніх компонентів в одному мікробному співтоваристві, протягом якого між видами складалася складна система взаємовідносин і зв'язків, необхідна для координації різних аспектів їх життєдіяльності. Молекулярні механізми, що розвинулися в ході формування цих синекологічних зв'язків, могли відіграти важливу роль у процесі об'єднання декількох прокаріотів в єдину клітину. Появу еукаріотів («еукаріотичну інтеграцію») слід розглядати як кінцевий результат тривалого розвитку інтеграційних процесів у прокаріотній спільноті (Марков, у пресі). Конкретні механізми еукаріотичної інтеграції, її деталі та послідовність подій, а також умови, в яких вона могла протікати, залишаються багато в чому неясними.
Загальновизнано, що у формуванні еукаріотичної клітини взяли участь як мінімум три прокаріотичні компоненти: «ядерно-цитоплазматичний», «мітохондріальний» та «пластидний».
Ядерно-цитоплазматичний компонент (ЯЦК)
Найважчим завданням є ідентифікація ядерно-цитоплазматичного компонента. Очевидно, провідну роль його формуванні зіграли археї (Archaea). Про це свідчить присутність типово архейних рис у найважливіших структурних та функціональних системах ядра та цитоплазми еукаріотів. Риси подібності простежуються в організації геному (інтрони), в базових механізмах реплікації, транскрипції та трансляції, у будові рибосом (Margulis, Bermudes, 1985; Slesarev et al., 1998; Ng et al., 2000; Cavalier-Smith.) Відзначено, що молекулярні системи нуклеоцитоплазми еукаріотів, пов'язані з обробкою генетичної інформації, мають переважно архейне походження (Gupta, 1998). Проте не зрозуміло, які саме архебактерії дали початок ЯЦК, яку екологічну нішу вони займали в «предковому співтоваристві», як і чому вони придбали ендосимбіонт мітохондріального.
У будові нуклеоцитоплазми еукаріотів, крім архейних та специфічно еукаріотних рис, присутні й бактеріальні. Для пояснення цього факту запропоновано низку гіпотез. Деякі автори вважають, що зазначені риси є наслідком придбання бактеріальних ендосімбіонтів (мітохондрій та пластид), багато генів яких перемістилися в ядро, а білки стали виконувати різні функції в ядрі та цитоплазмі (Gabaldon, Huynen, 2003). Придбання мітохондрій часто розглядається як ключовий момент у становленні еукаріотів, що передував виникненню ядра або що стався одночасно з ним. Ця думка підкріплюється молекулярними даними, що вказують на монофілітичне походження мітохондрій усіх еукаріотів (Dyall, Johnson, 2000; Литошенко, 2002). При цьому нині живі безмітохондріальні еукаріоти інтерпретуються як нащадки форм, що мали мітохондрії, оскільки в їх ядерних геномах присутні гени імовірно мітохондріального походження (Vellai et al., 1998; Vellai, Vida, 1999; 1999; Gray et al.
Альтернативна думка полягає в тому, що ЯЦК був химерним організмом архейно-бактеріальної природи ще до придбання мітохондрій. За однією з гіпотез, ЯЦК утворився внаслідок унікальної еволюційної події – злиття археї з протеобактерією (можливо, фотосинтетиком, близьким до Chlorobium). Симбіотичний комплекс, що утворився, отримав від археї стійкість до природних антибіотиків, а від протеобактерії - аеротолерантність. Клітинне ядро утворилося у цього химерного організму ще до інкорпорації мітохондріального симбіонту (Gupta, 1998). Інший варіант «химерної» теорії запропонований В.В.Емельяновим (Emelyanov, 2003), на думку якого клітина-господар, що прийняла в себе мітохондріального ендосімбіонту, являла собою прокаріотичний без'ядерний організм, що утворився шляхом злиття архебактерії з еубактерій- цього організму мав еубактеріальну природу (гліколіз, бродіння). Згідно з третім варіантом «химерної» теорії, ядро з'явилося одночасно з ундуліподіями (еукаріотичними джгутиками) в результаті симбіозу археї зі спірохетою, причому ця подія сталася раніше придбання мітохондріальних симбіонтів. Безмітохондріальні найпростіші не обов'язково походять від предків, які мали мітохондрії, а бактеріальні гени в їхньому геномі могли з'явитися в результаті симбіозу з іншими бактеріями (Margulis et al., 2000; Dolan et al., 2002). Є й інші варіації «химерної» теорії (Lуpez-Garcia, Moreira, 1999).
Нарешті, наявність у нуклеоцитоплазмі еукаріотів багатьох унікальних рис, не властивих ні бактеріям, ні археям, лягло в основу ще однієї гіпотези, згідно з якою предок ЯЦК ставився до «хроноцитів» - гіпотетичної вимерлої групи прокаріотів, однаково далекої і від бактерій, і від Hartman, Fedorov, 2002).
Мітохондріальний компонент
Значно більше ясності у питанні про природу мітохондріального компонента еукаріотичної клітини. Його предком, на думку більшості авторів, були альфапротеобактерії (до яких відносяться, зокрема, пурпурні бактерії, які здійснюють безкисневий фотосинтез і окислюють сірководень до сульфату). Так, нещодавно було показано, що мітохондріальний геном дріжджів найбільш близький до геному пурпурової несірчаної альфапротеобактерії. Rhodospirillum rubrum(Esser et al., 2004). Електронно-транспортний ланцюг, що спочатку сформувався у цих бактерій як частина фотосинтетичного апарату, згодом став використовуватися для кисневого дихання.
На основі порівняльної протеоміки нещодавно складено реконструкцію метаболізму «протомітохондрії» - гіпотетичної альфапротеобактерії, що дала початок мітохондріям усіх еукаріотів. Згідно з цими даними, предок мітохондрій був аеробним гетеротрофом, який отримував енергію за рахунок кисневого окислення органіки і володів повністю сформованим електронно-транспортним ланцюгом, але потребував надходження багатьох найважливіших метаболітів (ліпідів, амінокислот, гліцеролів) ззовні. Про це свідчить, крім іншого, наявність у реконструйованій «протомітохондрії» великої кількості молекулярних систем, що служать для транспортування вказаних речовин через мембрану (Gabaldуn, Huynen, 2003). Головним стимулом об'єднання ЯЦК із протомітохондрією, відповідно до більшості гіпотез, була потреба анаеробного ЯЦК захиститися від токсичної дії молекулярного кисню. Придбання симбіонтів, що утилізують цей отруйний газ, дозволило успішно вирішити цю проблему (Kurland, Andersson, 2000).
Є й інша гіпотеза, згідно з якою протомітохондрія була факультативним анаеробом, здатним до кисневого дихання, але при цьому виробляли молекулярний водень як побічний продукт бродіння (Martin, Muller, 1998). Клітиною-господарем у цьому випадку мала стати метаногенна хемоавтотрофна анаеробна архея, яка потребує водню для синтезу метану з вуглекислого газу. Гіпотеза ґрунтується на існуванні у деяких одноклітинних еукаріотів так званих гідрогеносом - органел, що виробляють молекулярний водень. Хоча гідрогеносоми не мають власного геному, деякі їх властивості вказують на спорідненість із мітохондріями (Dyall, Johnson, 2000). Тісні симбіотичні асоціації між метаногенними археями і протеобактеріями, що виділяють водень, дуже поширені в сучасній біоті, і, очевидно, були поширені і в минулому, тому, якби «воднева» гіпотеза була вірна, можна було б очікувати багаторазового, поліфілетичного виникнення еукаріотів. Однак молекулярні дані свідчать про їхню монофілію (Gupta, 1998). «Водневій» гіпотезі суперечить і те, що специфічні білкові домени архей, пов'язані з метаногенезом, немає гомологів в еукаріотів. Більшість авторів вважають «водневу» гіпотезу походження мітохондрій неспроможною. Гідрогеноми, швидше за все, є пізнішою модифікацією звичайних мітохондрій, що здійснювали аеробне дихання (Gupta, 1998; Kurland, Andersson, 2000; Dolan et al., 2002).
Пластидний компонент
Предками пластид були ціанобактерії. Згідно з останніми даними, пластиди всіх водоростей і вищих рослин мають монофілетичне походження і виникли в результаті симбіозу ціанобактерії з еукаріотичною клітиною, що вже мала мітохондрії (Martin, Russel, 2003). Сталося це приблизно від 1,5 до 1,2 млрд. років тому. При цьому було використано багато тих інтеграційних молекулярних систем (сигнальних, транспортних та ін.), які на той час вже сформувалися в еукаріотів для забезпечення взаємодії між ядерно-цитоплазматичним і мітохондріальним компонентами (Dyall et al., 2004). Цікаво, що деякі ферменти циклу Кальвіна (ключовий метаболітичний шлях фотосинтезу), що функціонують у пластидах, мають протеобактеріальне, а не ціанобактеріальне походження (Martin, Schnarrenberger, 1997). Очевидно, гени цих ферментів походять від мітохондріального компонента, чиї предки теж були фотосинтетиками (пурпурні бактерії).
Можливості порівняльної геноміки та протеоміки у дослідженні походження еукаріотів
Порівняльний аналіз геномних та протеомних даних відкриває великі можливості для реконструкції процесів «еукаріотичної інтеграції».
В даний час зібрані та знаходяться у відкритому доступі (в інтернеті) численні та значною мірою систематизовані дані щодо білкових та нуклеотидних послідовностей багатьох організмів, включаючи представників усіх трьох надцарств: Archaea, Bacteria та Eukaryota. Такі бази, як COGs
(Phylogenetic classification of proteins encoded in complete genomes; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG/), SMART(Simple Modular Architecture Research Tool; http://smart.embl-heidelberg.de/) ,
Pfam (Protein Domain Families Based on Seed Alignments; http://pfam.wustl.edu/index.html) ,
NCBI-CDD (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/cdd.shtml) та інші надають безліч інструментів для пошуку та порівняння повнотекстових послідовностей білків і кодують їх генів. Порівняння послідовностей здійснюються як представники одного виду, і між різними таксонами.
Використовуючи ці дані та аналітичні інструменти, можна зібрати і систематизувати досить масовий матеріал, який дозволить встановити, які конструктурні та функціональні підсистеми еукаріотичної клітини були успадковані від Archaea, які - від Bacteria, а які з'явилися пізніше і є унікальними для Eukaryota. У ході подібного аналізу можна отримати нові дані, що стосуються конкретних груп бактерій і архей, які з найбільшою ймовірністю могли брати участь у формуванні первинної еукаріотичної клітини.
Співвідношення загальних та унікальних білкових доменів у архей, бактерій та еукаріотів
У цій роботі відображено результати аналізу функціональних спектрів та таксономічної приуроченості білкових доменів, включених до 15-ої версії системи Pfam (версія опублікована в інтернеті 20 серпня 2004 р.). Дана система, що є найбільш повним систематизованим каталогом такого роду, в даний час включає 7503 білкових домену.
Поняття «білковий домен» тісно пов'язане з природною класифікацією білків, що активно розробляється в даний час. Домен - це більш-менш консервативна послідовність амінокислот (або т.зв. «мотив» - послідовність, що включає консервативні і варіабельні фрагменти, що чергуються), присутня в декількох (зазвичай у багатьох) білкових молекулах у різних організмів. Більшість доменів, включених у систему Pfam, характеризуються строго певною функцією і є, таким чином, функціональні блоки білкових молекул (наприклад, ДНК-зв'язуючі домени або каталітичні домени ферментів). Функція деяких доменів досі залишається невідомою, але консервативність і характер поширення цих послідовностей дозволяє припускати, що вони також мають функціональну єдність. Передбачається, що переважна більшість доменів є гомологічними послідовностями (тобто мають єдине походження, а не виникали паралельно в різних гілках еволюційного дерева). Про це свідчить значна довжина цих послідовностей, а також той факт, що майже будь-яка функція (каталітична, сигнальна, структурна та ін.) може бути реалізована багатьма різними комбінаціями амінокислот, тому у разі паралельного виникнення функціонально схожих блоків у білкових молекулах у різних організмів факт незалежного походження, як правило, є досить очевидним.
Білки об'єднуються у сімейства виходячи з присутності у яких спільних доменів, тому поняття «сімейство білків» і «домен» у системі Pfam багато в чому збігаються.
На основі даних із системи Pfam було визначено кількісний розподіл доменів за трьома надцарствами живої природи (Archaea, Bacteria, Eukaryota):
Мал. 1. Кількісне співвідношення загальних та унікальних білкових доменів у архей, бактерій та еукаріотів. Площі фігур приблизно пропорційні доменів.
Всього в 15-ій версії Pfam присутні 4474 еукаріотних доменів, які можна підрозділити на 4 групи:
1) Специфічні домени еукаріотів, що не зустрічаються в двох інших надцарствах (2372);
2) Домени, присутні у представників усіх трьох надцарств (1157);
3) Домени, загальні для еукаріотів та бактерій, але відсутні в архей (831);
4) Домени, загальні для еукаріотів та архей, але відсутні у бактерій (114).
Найбільша увага в подальшому обговоренні приділена доменам третьої та четвертої груп, оскільки їхня таксономічна приуроченість дозволяє з певною часткою ймовірності говорити про їхнє походження. Очевидно, значну частину доменів третьої групи успадкована еукаріотами від бактерій, четвертої - від архей.
В окремих випадках спільність доменів у різних надцарствах може бути пов'язана з пізнішим горизонтальним перенесенням, але тоді у надцарства-«реципієнта», швидше за все, цей домен зустрічатиметься лише в одного чи небагатьох представників. Такі випадки справді є. Порівняно з попередньою, 14-ою версією Pfam у новій, 15-ій версії цілий ряд суто бактеріальних доменів перемістився до третьої групи з тієї причини, що відповідні послідовності були виявлені в нещодавно «розшифрованих» геномах окремих еукаріотів (особливо комара Anopheles gambiaeта найпростішого Plasmodium yoelii). Присутність в геномі малярійного комара генів, що кодують білки бактеріальних джгутиків (притому, що в жодних інших еукаріотів ці послідовності не виявлені), природно, наводить на думку про горизонтальне перенесення. Подібні домени в подальшому обговоренні не враховувалися (у третій групі їх близько 40, у четвертій групі вони відсутні).
Кількісне співвідношення загальних та унікальних доменів у трьох надцарствах, здавалося б, говорить про рішучу переважання в еукаріотичній клітині «бактеріального» компонента порівняно з «архейним» (у еукаріот є 831 «бактеріальний» домен і 114 «архейних»). Аналогічні результати отримані нещодавно в ході порівняльного аналізу геномів дріжджів та різних прокаріотів: виявилося, що 75% від загальної кількості ядерних генів дріжджів, які мають прокаріотичні гомологи, більш подібні до бактеріальних, ніж з архейними послідовностями (Esser et al., 2004). Цей висновок, однак, стає не настільки очевидним, якщо зіставити згадані цифри із сумарним числом загальних та унікальних доменів у двох надцарствах прокаріотів. Так, із загальної кількості бактеріальних доменів, не зустрінутих у архей (2558), в еукаріотичні клітини перейшов 831, що становить 32.5%. Із загальної кількості архейних доменів, які не зустрічаються у бактерій (224), в еукаріотичних клітинах виявлено 114, тобто 48.7%. Таким чином, якщо уявити еукаріотичну клітину, що формується, як систему, здатну до вільного вибору тих чи інших білкових блоків з наявного набору, то слід визнати, що вона віддавала перевагу архейним доменам.
Ще більш очевидною стає значна роль архейного компонента у становленні еукаріотів, якщо порівняти «функціональні спектри» (розподіл за функціональними групами) та фізіологічне значення еукаріотичних доменів «архейного» та «бактеріального» походження.
Функціональний спектр еукаріотичних доменів «архейного» походження
Перше, що впадає у вічі під час перегляду описів доменів цієї групи, це висока встречаемость таких слів і фраз, як «essential» (ключовий, життєво важливий) і «plays a key role» (грає ключову роль). В інструкціях доменів з інших груп подібні вказівки зустрічаються набагато рідше.
У цій групі різко переважають домени, пов'язані з базовими, центральними процесами життя клітини, саме з процесами зберігання, відтворення, структурної організації та зчитування генетичної інформації. Сюди відносяться ключові домени, відповідальні за механізм реплікації (домени ДНК-примази тощо), транскрипції (включаючи 7 доменів ДНК-залежних РНК-полімераз), трансляції (великий набір рибосомних білків, домени, пов'язані з біогенезом рибосом, фактори ініціації) та елонгації тощо), а також з різними модифікаціями нуклеїнових кислот (включаючи процесинг рРНК у ядерці) та з їх організацією в ядрі (гістони та інші білки, пов'язані з організацією хромосом). Зауважимо, що нещодавно проведений детальний порівняльний аналіз всіх відомих білків, пов'язаних з транскрипцією, показав, що у архей виявляється більше подібності до еукаріотів, ніж у бактерій (Coulson et al., 2001, fig.1b).
Цікаві 6 доменів, пов'язаних із синтезом (посттранскрипційними модифікаціями) тРНК. Хімічні зміни, які вносяться спеціальними ферментами в нуклеотиди тРНК, є одним із найважливіших засобів адаптації до високих температур (вони дозволяють тРНК зберігати правильну третинну структуру при нагріванні). Показано, що кількість змінених нуклеотидів у тРНК термофільних архей зростає у разі підвищення температури (Noon et al., 2003). Збереження цих архейних доменів у еукаріотів, можливо, вказує на те, що температурні умови в місцеперебування перших еукаріотів були нестабільними (існувала небезпека перегріву), що характерно для мілководних місцепроживання.
Сигнально-регуляторних доменів порівняно небагато, але серед них - такі важливі, як транскрипційний фактор TFIID (TATA-зв'язуючий білок, PF00352), домени транскрипційних факторів TFIIB, TFIIE, TFIIS (PF00382, PF02002, PF01096), - регулятор центральну роль активації генів, транскрибируемых РНК-полимеразой II. Цікавий також домен CBFD_NFYB_HMF (PF00808): у архей це гістон, а у еукаріотів - гістоноподібний транскрипційний фактор.
Особливо слід зазначити еукаріотних домени «архейного походження», пов'язані з мембранними бульбашками. До них відноситься домен Adaptin N (PF01602), пов'язаний у еукаріотів з ендоцитозом; Aromatic-di-Alanine (AdAR) repeat (PF02071), у еукаріот, що бере участь у процесі злиття мембранних бульбашок з цитоплазматичною мембраною і виявлений у двох видів архей з роду Pyrococcus; Syntaxin (PF00804), у еукаріотів, що регулює, зокрема, приєднання внутрішньоклітинних мембранних бульбашок до пресинаптичної мембрани нейронів і виявлений у аеробних архей роду Aeropyrum, та ін. Серед «доменів бактеріального походження» білки з такими функціями відсутні. Домени, що управляють злиттям мембран і утворенням бульбашок, могли відіграти важливу роль у симбіогенетичному становленні еукаріотичної клітини, оскільки створюють основу для розвитку фагоцитозу (найбільш ймовірний шлях придбання внутрішньоклітинних симбіонтів - пластид і мітохондрій), а також для злиття клітин (і злиття клітин) мембранних структур, властивих еукаріотів, таких як ендоплазматичний ретикулум (ЕР). ЕР еукаріотів, згідно з однією з гіпотез, має архебактеріальне походження (Dolan et al., 2002). Припущення ґрунтується, зокрема, на подібності до синтезу N-пов'язаних гліканів в ЕР з певними етапами формування клітинної стінки у архей (Helenius, Aebi, 2001). Нагадаємо, що ЕР еукаріотів тісно пов'язаний з ядерною оболонкою, що дозволяє припускати єдиний генезис цих структур.
Слід звернути увагу також на практично повну відсутність у цій групі метаболітичних доменів (що є різким контрастом з групою еукаріотних «доменів бактеріального походження», де метаболітичні білки, навпаки, різко переважають).
З точки зору проблеми виникнення еукаріотів цікавлять такі домени архейного походження, як ZPR1 zinc-finger domain (PF03367) (у еукаріотів цей домен входить до складу безлічі ключових регуляторних білків, особливо тих, які відповідають за взаємодію між ядерними та цитоплазматичними процесами), і zf-RanBP (PF00641), що є у еукаріотів одним з найважливіших компонентів ядерних пір (відповідає за транспорт речовин через ядерну мембрану).
Усі 28 доменів рибосомальних білків архейного походження присутні у складі цитоплазматичних рибосом еукаріотів, причому всі вони виявляються як у рослин, так і у тварин. Цій картині добре відповідає той факт, що домен NOG1, що має специфічну ГТФ-азну активність і використовується допоміжними білками ядерного організатора (кластери генів рРНК) також має архейне походження.
Таблиця. Порівняння функціональних спектрів еукаріотичних доменів, що є або відсутні у архей (А), ціанобактерій (Ц), альфапротеобактерій (П) та бактерій в цілому, включаючи Ц і П (Б).
Функціональна група | Є в А, немає в Б | Є у Б, немає в А | Є у Ц чи П, немає в А | Є у Б, немає в А, Ц і П |
Синтез білка | ||||
У тому числі: рибосомні та пов'язані з біогенезом рибосом | ||||
Трансляція | ||||
Синтез, модифікація тРНК | ||||
Посттрансляційні модифікації білків | ||||
Реплікація, транскрипція, модифікація та організація ПК | ||||
У тому числі: базова реплікація та транскрипція | ||||
Гістони та інші білки, що організовують ДНК у хромосомах | ||||
Модифікація НК (нуклеази, топоізомерази, гелікази тощо) | ||||
Репарація, рекомбінація | ||||
НК-зв'язуючі домени неясної функції або загального призначення | ||||
Білки, пов'язані з утворенням та функціонуванням мембранних бульбашок | ||||
Транспортні та сортувальні білки | ||||
Сигнальні та регуляторні білки | ||||
У тому числі: транскрипційні фактори (регуляція експресії генів) | ||||
Рецептори | ||||
Домени міжклітинної взаємодії | ||||
Домени міжбілкової взаємодії | ||||
Домени зв'язку білка з мембраною | ||||
Захисні та пов'язані з імунною системою | ||||
Пов'язані з вірулентністю патогенних бактерій та найпростіших | ||||
Регулювання онтогенезу | ||||
Домени, пов'язані з гормонами | ||||
Регулювання реплікації | ||||
Лектини (білки, що утворюють комплекси з вуглеводами) | ||||
Інші сигнальні та регуляторні білки | ||||
Білки, пов'язані з цитоскелетом, мікротрубочками | ||||
Білки, пов'язані з клітинним поділом | ||||
Метаболізм | ||||
У тому числі: кисневе окиснення (оксигенази, пероксидази тощо) | ||||
Метаболізм стероїдів, терпенів | ||||
Метаболізм нуклеотидів та азотистих основ | ||||
Метаболізм вуглеводів | ||||
Метаболізм ліпідів | ||||
Метаболізм амінокислот | ||||
Метаболізм білків (пептидази, протеази та ін.) | ||||
Фотосинтез, дихання, ланцюг переносу електронів | ||||
Інша базова енергетика (АТФ-синтази, НАД-Н дегідрогенази та ін.) | ||||
Інші метаболітичні домени |
Мал. 2. Функціональні спектри «архейних» та «бактеріальних» доменів еукаріотів. 1 - Синтез білка, 2 - Реплікація, транскрипція, модифікація та організація НК, 3 - Сигнальні та регуляторні білки, 4 - Білки, пов'язані з утворенням та функціонуванням мембранних бульбашок, 5 - Транспортні та сортувальні білки, 6 - Метаболізм
Функціональний спектр еукаріотичних доменів «бактеріального» походження
Домени, пов'язані з базовими інформаційними процесами (реплікація, транскрипція, процесинг РНК, трансляція, організація хромосом і рибосом тощо) у цій групі також присутні, але їх відносна частка значно менша, ніж у «архейних» доменів (рис. 2). ). Більша їх частина або має другорядне значення, або пов'язана з інформаційними процесами в органелах (мітохондріях та пластидах). Так, наприклад, серед еукаріотних доменів архейного походження присутні 7 доменів ДНК-залежних РНК-полімераз (базовий механізм транскрипції), тоді як у бактеріальній групі таких доменів тільки два (PF00940 і PF03118), причому перший з них пов'язаний з транскрипцією мітохондріальної ДНК, другий - пластидний. Інший приклад: домен PF00436 (Single-strand binding protein family) у бактерій входить до складу багатофункціональних білків, що відіграють важливу роль у реплікації, репарації та рекомбінації; у еукаріотів даний домен бере участь тільки в реплікації мітохондріальної ДНК.
Дуже показовою є ситуація з рибосомними білками. З 24 еукаріотів доменів рибосомних білків, що мають бактеріальне походження, 16 присутні в рибосомах мітохондрій і пластид, 7 - тільки в пластидах, ще по одному домену немає даних про локалізації в клітинах еукаріотів. Таким чином, бактерії - учасники еукаріотичної інтеграції, мабуть, не внесли практично нічого в структуру цитоплазматичних рибосом еукаріотів.
Серед доменів бактеріального походження значно вища частка сигнально-регуляторних білків. Однак, якщо серед нечисленних регуляторних доменів архейного походження переважають базові регулятори транскрипції загального призначення (фактично, вони не так регулюють, скільки організують процес), то в бактеріальній групі переважають сигнально-регуляторні домени, відповідальні за конкретні механізми реагування клітини на фактори зовнішнього середовища ( та абіотичні). Ці домени визначають те, що можна назвати образно «екологією клітини». Їх можна умовно поділити на «аутекологічні» та «синекологічні», причому широко представлені як ті, так і інші.
До «аутекологічних» доменів, які відповідають за адаптацію клітини до зовнішніх абіотичних факторів, можна віднести, зокрема, домени хіт-шокових білків (відповідають за виживання клітини в умовах перегріву), такі як HSP90 – PF00183. Сюди ж відносяться всілякі білки-рецептори (Receptor L domain - PF01030, Low-density lipoprotein receptor repeat class B - PF00058 та ін), а також захисні білки, наприклад, пов'язані із захистом клітини від іонів важких металів (TerC1 - PF0 ), від інших токсичних речовин (Toluene tolerance, Ttg2 - PF05494), від оксидативного стресу (Indigoidine synthase A - PF04227) та багато інших. ін.
Збереження в еукаріотів багатьох бактеріальних доменів «екологічного» характеру підтверджує висловлене раніше припущення про те, що багато інтегруючих механізмів, що забезпечують цілісність і узгоджену роботу частин еукаріотичної клітини (насамперед - сигнальні та регуляторні каскади), почали розвиватися задовго до того, як ці об'єдналися під однією клітинною мембраною. Спочатку вони формувалися як механізми, що забезпечують цілісність мікробної спільноти (Марков, у пресі).
Цікаві домени бактеріального походження, що беруть участь у еукаріотів у регуляції онтогенезу або клітинно-тканинної диференціації (наприклад, Sterile alpha motif - PF00536; TIR domain - PF01582; jmjC domain - PF02373 та ін). Сама «ідея» онтогенезу багатоклітинних еукаріотів заснована, перш за все, на здатності клітин при незмінному геномі змінювати свою структуру та властивості залежно від зовнішніх та внутрішніх факторів. Ця здатність до адаптивних модифікацій зародилася ще в спільнотах прокаріотів і служила спочатку для адаптації бактерій до мінливих біотичних та абіотичних факторів.
Показовим є також аналіз походження такого значущого для еукаріотів домену, як Ras. Білки Ras-суперсемейства є найважливішими учасниками сигнальних каскадів у клітинах еукаріотів, здійснюючи передачу сигналу від рецепторів, як протеїнкіназних, так і пов'язаних з G-білками, на нерецепторні кінази - учасники MAPK-кіназного каскаду до транскрипційних факторів, , що контролює стабільність цитоскелету, активність іонних каналів та інші життєво важливі клітинні процеси Один з найважливіших мотивів Ras-домену, Р-петля з ГТФ-азною активністю, відомий у складі доменів Elongation factor Tu GTP binding (GTP_EFTU) і спорідненого COG0218 і широко представлений як у бактерій, так і в архей. Тим не менш, ці домени належать високомолекулярним ГТФ-азам і не мають відношення до цитоплазматичної передачі сигналу.
Формально Ras-домен належить до загальних для архей, бактерій та еукаріотів. Однак, якщо в останніх він зустрічається у величезній кількості високоспеціалізованих сигнальних білків, то в геномах бактерій та архей спостерігаються поодинокі випадки виявлення. У геномі бактерій домен Ras ідентифікований у протеобактерій та ціанобактерій, у складі низькомолекулярних пептидів. При цьому структура двох пептидів подібна до структури Ras-білків еукаріотів, а один з білків Anabaena sp. несе додатково домен LRR1(Leucine Rich Repeat), що бере участь у міжбілкових взаємодіях. У геномі архей Ras-домен виявлений у еуархеот Methanosarcinaceae (Methanosarcina acetivorans) та Methanopyraceae (Methanopyrus kandleri AV19). Виявляється, що у Methanosarcina acetivorans Ras-домен також розташований поряд з доменом LRR1, поки не виявленим в інших білках архей, і відомим у еукаріотів і бактерій, у тому числі і в вищезгаданому Ras-білку ціанобактерій. У Methanopyrus kandleri AV19 Ras домен розташований поруч із доменом COG0218, що свідчить про інші в порівнянні з Ras-білками функції даного білка. Ці факти дають підстави припускати вторинність появи у метанообразующих архей доменів Ras і LRR1 і первинне формування та спеціалізацію Ras-домена у бактерій.
Найважливішою відмінністю функціонального спектру доменів бактеріального походження від «архейних» є різка перевага метаболітичних доменів. Серед них слід відзначити, насамперед, велику кількість доменів, пов'язаних із фотосинтезом та кисневим диханням. У цьому немає нічого дивного, оскільки, згідно з загальноприйнятою думкою, і фотосинтез, і кисневе дихання були отримані еукаріотами разом із бактеріальними ендосимбіонтами – предками пластид та мітохондрій.
Важливе значення для розуміння походження еукаріотів мають домени, що не відносяться безпосередньо до механізму аеробного дихання, але пов'язані з мікроаерофільним метаболізмом еукаріотичної цитоплазми та із захистом від токсичної дії молекулярного кисню (оксигенази, пероксидази і т.д.). (19), а «архейної» вони відсутні. Більшість цих доменів у еукаріотів функціонує в цитоплазмі. Це свідчить, що еукаріоти, мабуть, успадкували від бактерій як мітохондріальне кисневе дихання, а й значну частину «аеробного» (точніше, мікроаерофільного) цитоплазматичного метаболізму.
Слід звернути увагу на велику кількість (93) доменів, пов'язаних із метаболізмом вуглеводів. Більша їх частина у еукаріотів працює в цитоплазмі. До них відноситься і фруктозодифосфатальдолаза (домени. PF00274і PF01116) - один із ключових ферментів гліколізу. Фруктозодифосфатальдолаза каталізує оборотне розщеплення гексози (фруктозодифосфату) на дві тривуглецеві молекули (дигідроксіацетонфосфат та гліцеральдегід 3-фосфат). Порівняння інших гліколітичних ферментів у архей, бактерій та еукаріотів (зокрема, за геномними даними із системи COG http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG/new/release/coglist.cgi?pathw=20) підтверджує чітко бактеріальну (не архейну) природу найголовнішою складовою енергетичного метаболізму цитоплазми еукаріотичної клітини – гліколізу. Цей висновок підтверджується і попарним порівнянням білкових послідовностей за допомогою BLAST (Feng et al., 1997), і результатами детального порівняльно-філогенетичного аналізу повних послідовностей гліколітичних ферментів у кількох представників архей, бактерій та еукаріотів (Canback et al., 2002).
Найважливішу роль у цитоплазматичному метаболізмі вуглеводів у еукаріотів грає лактат-дегідрогеназа - фермент, що відновлює кінцевий продукт гліколізу (піруват) з утворенням лактату (іноді цю реакцію розглядають як останній крок гліколізу). Дана реакція – «анаеробна альтернатива» мітохондріальному кисневому дихання (у ході останнього піруват окислюється до води та вуглекислого газу). Лактат-дегідрогеназа примітивного еукаріотичного організму – грибка Schizosaccharomyces pombe – порівнювалася за допомогою BLAST з архейними та бактеріальними білками. Виявилося, що даний білок практично ідентичний малат/лактат-дегідрогеназ бактерій роду Clostridium - строго анаеробних бродильників (E min =2 * 10 -83) і, меншою мірою, споріднених з облігатних або факультативних клостридіям аеробів з роду Bacillus (E 75). Найближчий архейний гомолог – білок аеробної археї Aeropyrum pernix (E=10 -44). Таким чином, і цей ключовий компонент цитоплазматичного метаболізму еукаріоти успадкували швидше від бактерій-бродників, ніж від архей.
Серед еукаріотних доменів бактеріального походження є кілька доменів, пов'язаних з метаболізмом сполук сірки. Це важливо, оскільки передбачувані бактеріальні предки пластид і особливо мітохондрій (пурпурні бактерії) в екологічному відношенні були тісно пов'язані з кругообігом сірки. У зв'язку з цим особливо цікавий виявлений в мітохондріях фермент сульфід/хінон оксидоредуктаза, який, можливо, успадкований еукаріотами безпосередньо від фотосинтезуючих альфапротеобактерій, які використовують сірководень як донора електронів при фотосинтезі (на відміну від рослин і більшості ціанобактерій Theissen та ін., 2003). Сульфід-хінон оксидоредуктази і споріднені з ним білки є як у бактерій, так і в архей, тому відповідне сімейство білків Pfam знаходиться в групі доменів, загальних для всіх трьох надцарств. Однак за амінокислотними послідовностями цих ферментів еукаріоти значно ближчі до бактерій, ніж до археїв. Наприклад, порівнюючи за допомогою BLAST людську мітохондріальну сульфід-хінон оксидоредуктазу з архейними білками отримуємо мінімальні значення E не менше 4*10. 36 (Thermoplasma), з бактеріальними - 10 -123 (Chloroflexus).
Бактеріальне «коріння» біосинтезу стеролів
У «бактеріальній» групі присутні кілька доменів, пов'язаних з метаболізмом стероїдів (3-beta hydroxysteroid dehydrogenase/isomerase family - PF01073, Lecithin:cholesterol acyltransferase - PF02450, 3-oxo-5-alpha-steroid2-4-4-4-5-alpha-steroid2-4) . Ще Л.Маргеліс (1983), одна з головних творців симбіогенетичної теорії походження еукаріотів, зазначала, що дуже важливо встановити походження ключового ферменту біосинтезу стеролів (в т.ч. холестеролу) у еукаріотів - сквален-монооксигенази, яка каталізує реакцію:
сквален + О 2 + AH 2 = (S)-сквален-2,3-епоксид + А + H 2 O
Продукт цієї реакції потім ізомеризується і перетворюється на ланостерол, з якого в подальшому синтезується холестерол, всі інші стероли, стероїдні гормони та ін. бактеріям, ні археям. Цей фермент містить, згідно з Pfam, єдиний консервативний домен (Monooxygenase - PF01360), який є у багатьох білках всіх трьох надцарств. Порівняння амінокислотної послідовності людської сквален-монооксигенази (NP_003120; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/viewer.fcgi?db=protein&val=4507197) за допомогою BLAST cархейними і бактеріальними білками показує більше подібності з бактеріальними, ніж з архейними аналогами (для перших мінімальне значення Е = 5 * 10 -9 для других Е min = 0.28). З бактерій найбільш подібними білками мають актинобактерію Streptomyces argillaceus, бацила Bacillus halodurans і гаммапротеобактерію Pseudomonas aeruginosa. Лише після них слідує ціанобактерія Nostoc sp. (E = 3 * 10 -4). Таким чином, ключовий фермент біосинтезу стеролів, мабуть, виник у ранніх еукаріотів на основі бактеріальних, а не архейних білків-попередників.
Інший найважливіший фермент біосинтезу стеролів – сквален-синтаза (ЄС 2.5.1.21), що здійснює синтез попередника стеролів – сквалену. Цей фермент відноситься до сімейства Pfam SQS_PSY - PF00494, що є присутнім у всіх трьох надцарствах. Людська сквален-синтаза (http://www.genome.jp/dbget-bin/www_bget?hsa+2222) дуже схожа на гомологічні білки бактерій, особливо - ціанобактерій та протеобактерій (E min =2*10 -16), але подібна також і до сквален-синтази археї Halobacterium sp. (Е = 2 * 10 -15).
Отримані результати у принципі суперечать гіпотезі Л.Маргулис у тому, що сквален був у прото-эукариот, тобто. у ядерно-цитоплазматичного компонента до придбання мітохондрій, тоді як синтез ланостеролу став можливим лише після цієї події. З іншого боку, ЯЦК повинен був мати досить еластичну та рухливу мембрану, щоб придбати мітохондріальний симбіонт, а це навряд чи можливо без синтезу стеролів, які якраз і надають мембранам еукаріотів властивості, необхідні для фагоцитозу, утворення псевдоподій тощо.
Цитоскелет
Найважливішою ознакою еукаріотичної клітини є наявність мікротрубочок, що входять до складу ундуліподій (джгутиків), мітотичного веретену та інших структур цитоскелету. Л.Маргеліс (1983) припустила, що ці структури успадковані предками еукаріотів від симбіотичних спірохет, що перетворилися на ундуліподію. Б.М.Медников у передмові до російського видання книги Л.Маргеліс зазначив, що найкращим доказом цієї гіпотези було б виявлення гомологій в амінокислотних послідовностях скоротливого білка спірохет та білків цитоскелета еукаріотів. Ця думка докладно розвивається у недавній роботі М.Ф.Долана з співавторами (Dolan et al., 2002).
У білках цитоскелета еукаріотів поки що не вдається виявити ознак, специфічних саме для спірохет. Разом про те можливі попередники цих білків виявлено і в бактерій, і в архей.
Тубулін містить два домени Pfam: Tubulin/FtsZ family, C-terminal domain (PF03953) та Tubulin/FtsZ family, GTPase domain (PF00091). Ті ж два домени присутні у FtsZ-білках, широко поширених у бактерій та архей. FtsZ-білки здатні полімеризуватися в трубочки, пластинки та кільця і відіграють важливу роль у клітинному поділі прокаріотів.
Хоча тубуліни еукаріотів і прокаріотичні FtsZ-білки є гомологами, схожість їх послідовностей дуже низька. Наприклад, тубуліноподібний білок спірохети Leptospira interrogans, що містить обидва вищевказані домени (http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?Q72N68) виявляє високу схожість з пластидними і мітохондріальними білками еукаріотів, що беруть участь але не з еукаріотичним тубуліном. Тому деякі дослідники припускають, що мав існувати інший прокаріотичний попередник тубуліна, ближчий до еукаріотичних гомологів, ніж FtsZ-білки. Нещодавно такі білки, дуже схожі на еукаріотичні тубуліни (Emin=10 -75) були знайдені у кількох видів бактерій роду Prosthecobacter (Jenkins et al., 2002). Ці бактерії, на відміну від спірохет, нерухомі. Автори згаданої роботи вважають, що прото-еукаріоти могли придбати тубулін шляхом горизонтального перенесення від Prosthecobacter або іншої бактерії, що мала подібні білки (не виключається можливість злиття клітини архебактерії з бактерією, що мала ген тубуліна).
ГТФ-ази, що беруть участь у регуляції збирання мікротрубочок, теж вказують на бактеріальне «коріння» еукаріотичного цитоскелета. Так, домен Dynamin_N має строго бактеріальне походження (зустрічений у багатьох груп бактерій і невідомий у археї).
Деякі білки, важливі формування цитоскелета, еукаріоти могли успадкувати від архей. Наприклад, префолдин (PF02996) бере участь у біогенезі актину; гомологічні білки є в багатьох архей, тоді як у бактерій виявлено лише поодинокі невеликі фрагменти подібних послідовностей. Що стосується самого актину, то явних гомологів цього найважливішого еукаріотичного білка у прокаріотів поки виявити не вдається. І у бактерій, і в архей відомі білки MreB/Mbl, схожі на актин за своїми властивостями (здатності до полімеризації та формування філаментів) та третинної структури (Ent et al., 2001; Mayer, 2003). Ці білки служать для підтримки паличкоподібної форми клітини (у кокоїдних форм вони не зустрічаються), утворюючи щось на кшталт «прокаріотичного цитоскелета». Проте за первинною структурою білки MreB/Mbl мало схожі на актин. Так, MreB-білки спірохети Treponema pallidum ( http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?O83510), клостридія Clostridium tetani ( http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/Blast.cgi) та архей Methanobacterium thermoautotrophicum ( http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?O27103) та Methanopyrus kandleri ( http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?Q8TYX3) з еукаріотичних білків виявляють найбільшу подібність з хіт-шоковими білками хлоропластів і мітохондрій Hsp70 (шаперони; локалізуються в нуклеоїді органел, беруть участь у транслокаціях білкових молекул). Подібність первинної структури MreB-білків з актином досить слабка, але в архейних білків вона дещо вища, ніж у бактеріальних.
Походження бактеріальних компонентів нуклеоцитоплазми еукаріотів.
Наведений огляд підтверджує, що ЯЦК – химерна освіта, що поєднує ознаки архей та бактерій. Його «центральні» блоки, пов'язані зі зберіганням, відтворенням, організацією та зчитуванням генетичної інформації, мають переважно архейне походження, тоді як значна частина «периферії» (метаболічні, сигнально-регуляторні та транспортні системи) явно має бактеріальне коріння.
Архейний предок, мабуть, зіграв головну організуючу роль становленні ЯЦК, проте значної частини його «периферичних» систем було утрачено і замінено на системи бактеріального походження. Як це могло статися?
Найпростіше пояснення, пропоноване багатьма авторами, полягає в припущенні, що бактеріальні елементи ЯЦК походять від ендосимбіонтів - мітохондрій і пластид, багато генів яких дійсно перемістилися в ядро, а білки, що ними кодуються, взяли на себе багато чисто цитоплазматичних функцій. Це пояснення переконливо підтверджується великим фактичним матеріалом (Vellai, Vida, 1999; Gray et al., 1999; Gabaldon, Huynen, 2003). Питання лише в тому, чи воно є достатнім.
Є підстави вважати, що це не так. Відомо багато фактів, що вказують на присутність у нуклеоцитоплазмі еукаріотів бактеріальних компонентів, що не відбуваються ні від пластидних, ні від мітохондріальних ендосімбіонтів (Gupta, 1998). Це видно з аналізу білкових доменів. У ЯЦК є досить багато «бактеріальних» доменів, не характерних ні для ціанобактерій (предків пластид), ні для альфапротеобактерій (предків мітохондрій). Якщо з числа «бактеріальних» доменів еукаріотів (831 домен) виключити ті, що зустрічаються у ціанобактерій та альфапротеобактерій, залишається ще 229 доменів. Їхнє походження не можна пояснити міграцією з органел у цитоплазму. Аналогічні результати отримані і при порівняльному аналізі повних послідовностей білкових молекул: у еукаріотів виявлено багато білків бактеріального походження, які не були ними придбані разом з ендосимбіонтами, а походять від інших груп бактерій. Багато хто з цих білків вдруге проникли в органели, де вони продовжують функціонувати у сучасних еукаріотів (Kurland, Andersson, 2000; Walden, 2002).
У таблиці (дві праві колонки) відображено функціональні спектри двох груп «бактеріальних» доменів еукаріотів:
1) домени, що є у ціанобактерій та/або альфапротеобактерій, тобто. ті, які могли бути придбані еукаріотами разом з ендосимбіонтами - пластидами та мітохондріями (602 домени),
2) домени, відсутні у ціанобактерій та альфапротеобактерій, тобто. ті, чиє походження не вдається пов'язати безпосередньо з придбанням пластид та мітохондрій (229 доменів).
При порівнянні функціональних спектрів потрібно враховувати, що багато доменів першої групи насправді теж могли бути придбані еукаріотами не від ендосимбіонтів, а від інших бактерій, у яких ці домени теж присутні. Таким чином, можна очікувати, що реальна кількість «бактеріальних» доменів, отриманих еукаріотами не від ендосимбіонтів, значно вища, ніж показують цифри у правій колонці таблиці. Особливо це стосується білків з тих функціональних груп, за якими цифри в третій колонці таблиці менші або не набагато більші, ніж у четвертій.
Насамперед зазначимо, що практично всі «бактеріальні» домени еукаріотів, пов'язані з базовими механізмами реплікації, транскрипції та трансляції (включаючи рибосомні білки), відносяться до першої групи. Іншими словами, цілком ймовірно, що вони отримані еукаріотами майже виключно від ендосімбіонтів, які перетворилися на пластиди та мітохондрії. Цього й слід було очікувати, оскільки предки цих органел були захоплені ядерно-цитоплазматичним компонентом цілком, разом із власними системами обробки генетичної інформації та синтезу білка. Пластиди та мітохондрії зберегли свої бактеріальні кільцеві хромосоми, РНК-полімерази, рибосоми та інші центральні системи життєзабезпечення. Втручання ЯЦК у внутрішнє життя органел звелося до перенесення більшості їх генів в ядро, де вони потрапили під контроль більш досконалих ядерно-цитоплазматичних регуляторних систем. Практично всі «бактеріальні» домени еукаріотів, пов'язані з інформаційними процесами, функціонують в органелах, а не в ядрі та цитоплазмі.
Головною відмінністю функціонального спектра доменів другої групи є різко підвищена частка сигнально-регуляторних білків. Сюди відносяться і багато доменів «екологічного» характеру, тобто такі, які у прокаріотів відповідали за взаємини клітини із зовнішнім середовищем та особливо – з іншими членами прокаріотної спільноти (рецептори, сигнальні та захисні білки, домени міжклітинної взаємодії тощо). . У багатоклітинних еукаріотів, як уже зазначалося, ці домени часто забезпечують взаємодію між клітинами та тканинами, а також використовуються в імунній системі (взаємовідносини зі сторонніми мікроорганізмами – теж свого роду «синекологія»).
Частка метаболітичних доменів у другій групі різко знижена проти першої. Спостерігається чітка нерівномірність у кількісному розподілі доменів першої та другої груп з різних відділів метаболізму. Так, практично всі домени, пов'язані з фотосинтезом, аеробним диханням та електронно-транспортними ланцюгами мають, мабуть, мітохондріальне або пластидне походження. Це цілком очікуваний результат, оскільки фотосинтез і аеробне дихання є головними функціями пластид і мітохондрій. Відповідні молекулярні системи були основним внеском ендосимбіонтів у «комунальне господарство» еукаріотичної клітини, що формується.
Найбільшу питому вагу серед метаболітичних доменів другої групи мають білки, пов'язані з обміном вуглеводів. Вище вже говорилося про подібність еукаріотичної лактат-дегідрогенази з гомологічними білками бактерій-бродильників, таких як Clostridium (тобто дуже далеких у таксономічному відношенні від ціано- та альфапротеобактерій). Аналогічна ситуація з іншими гліколітичними ферментами. Наприклад, людська гліцеральдегід-3-фосфат-дегідрогеназа ( http://us.expasy.org/cgi-bin/niceprot.pl?G3P1_HUMAN) З усіх бактеріальних гомологів теж, як і лактат-дегідрогеназу, виявляє найбільшу подібність з білками представників роду Clostridium (Е = 10 -136), далі за ступенем подібності йдуть різні гаммапротеобактерії - факультативно анаеробні бродильники (Escherichia, Shigella, Shigella .д.), облігатно анаеробні бродильники Bacteroides, і лише після них - ціанобактерія Synechocystis sp. з Е = 10 -113. З гліцеральдегід-3-фосфат-дегідрогеназами архей схожість набагато нижча, хоча відповідні домени Pfam ( PF00044і PF02800), зрозуміло, є у всіх трьох надцарствах.
Очевидно, найважливіші цитоплазматичні ферментні системи, пов'язані з метаболізмом вуглеводів (включаючи гліколіз), були отримані прото-еукаріотами не від ендосимбіонтів, а від інших бактерій (можливо від облігатно або факультативно анаеробних бродильників). Цей висновок переконливо підтверджується результатами нещодавно проведеного детального філогенетичного аналізу послідовностей гліколітичних ферментів у ряду представників еукаріотів та бактерій (Canback et al., 2002).
З восьми «бактеріальних» доменів метаболізму стероїдів та близьких до них сполук у предків пластид та мітохондрій відсутня половина, у тому числі домен 3-beta hydroxysteroid dehydrogenase/isomerase family (PF01073), широко поширений і в еукаріотів, і у бактерій. У еукаріотів білки цього сімейства беруть участь у синтезі стероїдних гормонів, а у бактерій виконують інші каталітичні функції, зокрема, пов'язані з метаболізмом нуклеотид-цукорів. Інші три домени зустрінуті лише у двох-трьох видів бактерій кожен (причому різні домени - у різних видів). Яку функцію виконують у бактерій ці білки – невідомо. Але в цілому ці дані говорять про те, що ферментні системи метаболізму стероїдів могли скластися у ранніх еукаріотів на основі бактеріальних білків-попередників, які раніше виконували інші функції, причому походження цих попередників не можна пов'язувати виключно з ендосимбіонтами - пластидами і мітохондріями. Згадаймо, що і ключовий фермент бісинтезу стеролів у еукаріотів (сквален-монооксигеназа) виявляє найбільшу схожість з білками актинобактерій, бацил і гаммапротеобактерій, а не ціано-або альфапротеобактерій.
Природа та генезис ядерно-цитоплазматичного компонента еукаріотів.
Спробуємо на основі наведених даних відновити зовнішній вигляд ЯЦК, яким він був напередодні придбання мітохондріальних ендосімбіонтів.
«Центральна», або інформаційна частина ЯЦК (системи реплікації, транскрипції та трансляції, включаючи рибосоми) мала яскраво виражену архейну природу. Однак необхідно мати на увазі, що жодна з нині живучих архей (як і бактерій) немає внутрішньоклітинних симбіонтів. Понад те, всі відомі нам прокаріоти, очевидно, у принципі що неспроможні їх купувати, т.к. не здатні до фагоцитозу. Очевидно, єдине виняток становлять загадкові симбіотичні бактеріальні комплекси комах сімейства Pseudococcidae, які з сфер, що містять гаммапротеобактерії. Можливо, ці сфери самі є бетапротеобактеріями, які сильно видозмінені в ході тривалої коеволюції з комахами-господарями (Dohlen et al., 2001).
Відзначимо також, що виникнення еукаріотичної клітини було найбільшим еволюційним стрибком. За своїм масштабом ця подія можна порівняти хіба що з виникненням самого життя. Організм, що зіграв центральну роль у цьому великому перетворенні, повинен був мати унікальні властивості. Тому не слід очікувати, що ЯЦК був «звичайним прокаріотичним організмом». Прямих аналогів цього організму немає у сучасній біоті.
ЯЦК мав бути досить великим організмом, щоб захопити ендосимбіонтів, тоді як археї – переважно дрібні прокаріоти.
Для багатьох архей характерні дуже маленькі геноми, що може бути наслідком вузької спеціалізації в естремальних місцях проживання, де ці організми практично не відчувають конкурентного тиску, а умови хоч і екстремальні, зате не змінюються протягом мільярдів років. ЯЦК, швидше, повинен був мешкати у складному біотичному середовищі, бути ценофілом і мати досить великий геном, що включає гени «синекологічних» білкових систем, необхідних для успішної взаємодії з іншими компонентами мікробної спільноти. Ці білки згодом лягли в основу систем внутрішньоклітинної координації, відповідальних за узгоджену життєдіяльність господаря та симбіонтів. Судячи з наведених вище даних, значна (можливо, велика) частина таких генів була отримана ЯЦК від бактерій, причому не від тих, які стали ендосимбіонтами, а від інших.
Мабуть, ЯЦК повинен був мати достатню еластичність мембран, щоб захоплювати ендосимбіонтів. Це передбачає наявність мембранних стеролів і, отже, молекулярних систем їхнього біосинтезу. Можливі попередники деяких ферментів метаболізму стеролів виявляються знов-таки у бактерій, не споріднених з предками мітохондрій і пластид.
Біосинтез стеролів потребує присутності невеликих концентрацій молекулярного кисню. Очевидно, ЯЦК був мікроаерофільним, а чи не суворо анаеробним організмом ще до придбання мітохондрій. Деякі домени мікроаерофільного метаболізму були отримані ЯЦК від бактерій, які не стали ендосимбіонтами.
Щоб захопити ендосимбіонтів, крім еластичних мембран, ЯЦК повинен був мати цитоплазматичної рухливістю, тобто мати принаймні зачатки актин-тубулінового цитоскелета. Походження актину залишається незрозумілим, але близькі гомологи тубуліна ЯЦК міг запозичити у бактерій, не споріднених з пластидами і мітохондріями.
Метаболізм ЯЦК та майбутніх мітохондрій, особливо енергетичний, мав бути взаємододатковим, інакше симбіотична система не могла б скластися. Мітохондрії отримують з цитоплазми насамперед піруват – продукт гліколізу. Ферменти анаеробного розщеплення цукрів (гліколізу та молочнокислого бродіння), як видно з наведених вище даних, були отримані ЯЦК швидше за все від бактерій, не споріднених майбутнім ендосимбіонтам.
Таким чином, ЯЦК напередодні придбання мітохондрій постає перед нами у вигляді химерного організму з чітко архейною «серцевиною» та бактеріальною «периферією». Це суперечить ідеї про те, що предком ЯЦК був прокаріотичний організм, який не мав прямого відношення ні до археїв, ні до бактерій – «хроноцит» (Hartman, Fedorov, 2002). Це суперечить також тим моделям походження еукаріотів, згідно з якими всі бактеріальні риси нуклеоцитоплазми з'явилися в результаті придбання ендосімбіонтів (насамперед мітохондрій). Наявні факти краще відповідають «химерним» гіпотезам, згідно з якими ще до придбання ендосимбіонтів відбулося злиття археї з якоюсь бактерією, наприклад, спірохетою (Margulis et al., 2000; Dolan et al., 2002), фотосинтезуючою протеобактерією (9) або бродильником (Emelyanov, 2003).
Однак набір доменів нуклеоцитоплазми, що мають бактеріальне, але не ендосимбіотичне походження, не дозволяє однозначно вказати на якусь одну групу бактерій як на їхнє спільне джерело. Найімовірнішим є запозичення прото-еукаріотами окремих генів і генних комплексів у багатьох різних бактерій. Подібне припущення робилося раніше на основі порівняльного аналізу протеомів, який показав наявність навіть у самих мітохондріях багатьох білків бактеріального, але не альфапротеобактеріального походження (Kurland, Andersson, 2000).
Очевидно, архея, що стала основою ЯЦК, мала аномально високу здатність до інкорпорації чужорідного генетичного матеріалу. Інкорпорація могла відбуватися шляхом латерального перенесення (вірусного або плазмідного), прямого поглинання ДНК із зовнішнього середовища, а також шляхом встановлення різноманітних контактів архейної клітини-реципієнта з бактеріальними клітинами-донорами (від звичайної кон'югації до повного злиття клітин). Інкорпорувалися, мабуть, цілі ферментні системи (наприклад, комплекс гліколітичних ферментів, система синтезу плазматичних мембран), що було б дуже важко здійснити, набуваючи окремих генів поодинці.
У нормі прокаріоти поглинають чужу ДНК у процесі кон'югації, причому клітина-реципієнт має «пізнати» клітину-донора та прийти до стану компетентності. Так прокаріоти оберігаються від обміну генетичним матеріалом із неспорідненими формами. Проте є прокаріоти, здатні до т.зв. "природної трансформації". Вони поглинають ізольовану ДНК із зовнішнього середовища, причому для цього їм не потрібно приходити до компетентності. Для цих прокаріотів характерний надзвичайно високий поліморфізм та пристосованість (наприклад, до антибіотиків). Прикладом такого організму є гіперполіморфна бактерія Helicobacter pylori. Можливо, екстраординарний рівень поліморфізму цього виду пов'язаний із його недавнім пристосуванням до життя в організмі людини (Домарадський, 2002).
У прокаріотів приплив чужорідних генів (перенесених вірусами і плазмідами, а також поглинених із зовнішнього середовища) контролюється системою рестрикції-модифікації. У еукаріотів цієї системи немає, замість неї функціонують інші механізми генетичної ізоляції, пов'язані зі статевим розмноженням (Гусєв, Мінєєва, 1992). Ми припускаємо, що в еволюції ЯЦК був період (швидше, короткочасний), коли старі, прокаріотичні бар'єри на шляху чужорідних генів ослабли, а нові, еукаріотичні, ще не функціонували на повну силу. У цей період ЯЦК був дестабілізованим штамом з різко ослабленими механізмами генетичної ізоляції. Більше того, у нього, мабуть, поетапно розвивалися додаткові механізми, що забезпечували інтенсивнішу та керовану рекомбінацію. Можна припустити кілька таких механізмів:
1) Здатність перфорувати клітинні оболонки інших прокаріотів і висмоктувати їх вміст (відлунням цього можуть бути еукаріотичні домени бактеріального походження, пов'язані з вірулентністю патогенних бактерій і перфоруванням мембран, наприклад, вже згадуваний MAC/Perforin domain);
2) Розвиток нових форм обміну генетичним матеріалом між близькоспорідненими клітинами (можливо, що включали утворення цитоплазматичних містків між клітинами або навіть їх злиття - копуляцію). З цим могла бути пов'язана «заміна» архейних мембран на бактеріальні та поява мембранних стеролів.
3) Фагоцитоз міг розвинутися як подальше вдосконалення хижацтва з урахуванням нової структури мембран.
4) Перехід від єдиної кільцевої хромосоми до кількох лінійних міг бути пов'язаний з активізацією рекомбінаційних процесів.
5) Розвиток на основі єдиної (хоча і майже такої ж складної, як у еукаріотів) архейної РНК-полімерази трьох типів еукаріотичних РНК-полімераз, що відповідають за зчитування різних груп генів, могло бути обумовлене екстреною необхідністю підтримки цілісності нестабільного, швидко мінливого химерного генома.
6) Аналогічними потребами могла бути зумовлена і поява ядерної оболонки, яка спочатку, можливо, функціонувала як фільтр, що допомагає обмежити та впорядкувати потік генів з цитоплазми, куди потрапляли захоплені фагоцитозом чужорідні клітини.
Зрозуміло, все це лише припущення. Однак заслуговує на увагу сам факт того, що найважливіші відмінні особливості еукаріотів (структура мембран, фагоцитоз, лінійні хромосоми, диференційовані РНК-полімерази, ядерна оболонка) можуть бути пояснені з позицій пропонованої моделі, тобто. як виникли у зв'язку з активізацією рекомбінаційних процесів у ЯЦК. Зауважимо також, що інкорпорація значної частини пластидних та мітохондріальних генів у ядерний геном (процес, що триває до цього дня, особливо у рослин) (Dyall et al., 2004) підтверджує наявність у еукаріотів відповідних механізмів.
Чому центральним організуючим компонентом ЯЦК стала архея? Очевидно, молекулярно-інформаційні системи архей (реплікація, транскрипція, трансляція, організація і модифікація НК) спочатку були пластичнішими і стійкішими, ніж в бактерій, що дозволило археям пристосуватися до екстремальним місцеперебуванням.
Відсутні в бактерій, але наявні в архей і еукаріот системи процесингу, інтрони, а також більш складні РНК-полімерази, мабуть, свідчать про більш складний, досконалий і керований механізм транскрипції (розумніше, розбірливе зчитування генетичної інформації). . Такий механізм, мабуть, було легше адаптувати до різних «нештатних ситуацій», до яких можна віднести, окрім високої температури, солоності та кислотності, також і ослаблення бар'єрів, що перешкоджають включенню до генома чужорідних генів.
Така специфічна еволюційна стратегія, яку ми припускаємо у ЯЦК в епоху до придбання мітохондрій, могла виникнути й існувати лише в вкрай нестабільних, кризових умовах, коли виживання потребувало найвищого рівня мінливості та активного еволюційного «експериментування». Подібні умови, мабуть, мали місце у тимчасових околицях рубежу архейської та протерозойської ер. Про можливий зв'язок цих кризових подій у виникненням еукаріотів ми писали раніше (Марков, у пресі).
Оскільки найдавніші копалини залишки стеролів виявлено у відкладеннях віком 2,7 млрд років (Brocks et al., 1999), можна припускати, що багато важливих рубежів в еволюції ЯЦК пройшли задовго до кінця архейської ери.
Походження еукаріотів як закономірний результат еволюції прокаріотних спільнот.
Очевидно, що всі основні етапи формування еукаріотичної клітини могли відбуватися тільки в складному та високо інтегрованому прокаріотному співтоваристві, що включало різні види авто-і гетеротрофних мікробів. Отримані дані узгоджуються із загальноприйнятою думкою про те, що важливою рушійною силою в процесі еукаріотичної інтергації було зростання концентрації молекулярного кисню, пов'язане з переходом ціанобактерій від безкисневого фотосинтезу до кисневого.
Ми припускаємо, що «предкове співтовариство» еукаріотів складалося як мінімум з трьох шарів. У верхньому жили ціанобактерії (серед яких були і предки пластид), які використовували для фотосинтезу світлові хвилі довжиною до 750 нм. Ці хвилі мають невелику проникаючу здатність, тому події мали розгортатися на мілководді. Спочатку донором електронів служила не вода, а відновлені сполуки сірки, насамперед сірководень. Як побічний продукт виділялися в зовнішнє середовище продукти окислення сірководню (сірка та сульфати).
У другому шарі мешкали пурпурові фотосинтезуючі бактерії, у тому числі - альфапротеобактерії, предки мітохондрій. Пурпурні бактерії використовують світло з довжиною хвилі понад 750нм (переважно червоний та інфрачервоний). Ці хвилі мають кращу проникаючу здатність, тому вони легко проходили крізь шар ціанобактерій. Пурпурні бактерії і зараз живуть у водоймах під більш менш товстим шаром аеробних фотосинтетиків (ціанобактерій, водоростей, вищих рослин) (Федоров, 1964). Пурпурні альфапротеобактерії зазвичай використовують як донора електрона сірководень, окислюючи його до сульфату (причому молекулярного кисню для цього не потрібно).
У третьому шарі мешкали нефотосинтезуючі бактерії та археї. Серед них могли бути різноманітні бактерії-бродильники, що переробляють органіку, що виробляється фотосинтетиками; деякі з них як один з кінцевих продуктів бродіння виділяли водень. Це створювало базу для існування сульфатредукуючих бактерій і архей (вони відновлюють сульфати до сульфідів за допомогою молекулярного водню і тому являють собою корисне «доповнення» до спільноти безкисневих фотосинтетиків, що споживають сульфід), для метаногенних архей (відновлюють вуглекислот) . Серед архей, що жили тут, знаходилися і предки ЯЦК.
Спільнота, подібна до описаного вище, могла існувати на добре освітленому мілководді при середній температурі 30-40 0 С. Саме ця температура є оптимальною для переважної більшості прокаріотів, включаючи і групи, що входили до складу даної спільноти. Думка про те, що походження еукаріотів було пов'язане з екстремально термофільними місцеперебуваннями, з'явилося через те, що першим прокаріотичним організмом, у якого вдалося виявити гістони, була архея Thermoplasma acidophila, ацидотермофіл. Це наводило на думку, що поява гістонів (однієї з важливих ознак еукаріотів) була пов'язана з пристосуванням до високих температур. Зараз гістони виявлені у багатьох архей із найрізноманітнішою екологією. В даний час немає підстав вважати, що температура в «первинному біотопі» еукаріотів була вищою 30-40 градусів. Зазначена температура, мабуть, є оптимальною для більшості еукаріотів. Непрямо це підтверджується тим, що саме таку температуру «обрали» собі ті еукаріоти, яким вдалося досягти рівня організації, достатнього для переходу до гомойотермії. Біотоп «предкового співтовариства», можливо, час від часу піддавався перегріву, про що свідчить збереження в еукаріотах кількох бактеріальних хіт-шокових доменів та архейних білків, що беруть участь у посттранскрипційних модифікаціях тРНК. Схильність до періодичного перегріву узгоджується з припущенням про мілководність «предкового біотопу» еукаріотів.
Прокаріотне співтовариство вищеописаного типу може залишатися цілком стійким до того часу, поки буде підірвана його ресурсна база.
Початок кризових перетворень поклав перехід ціанобактерій до кисневого фотосинтезу. Суть перетворення полягала в тому, що як донор електрона ціанобактерії почали використовувати воду замість сірководню (Федоров, 1964). Можливо, це було пов'язано із зменшенням концентрації сірководню в океані. Перехід до використання такого практично необмеженого ресурсу як вода відкривав перед ціанобактеріями великі еволюційно-екологічні можливості, але мав і негативні наслідки. Замість сірки та сульфатів при фотосинтезі став виділятися молекулярний кисень - речовина вкрай токсична і з найдавнішим земним життям погано сумісна.
Першими з токсичною дією кисню зіткнулися його безпосередні виробники – ціанобактерії. Вони ж, мабуть, першими почали виробляти засоби захисту від нової отрути. Електронно-транспортні ланцюги, створювані для фотосинтезу, були модифіковані і почали служити для аеробного дихання, початкова мета якого, очевидно, полягала над отриманні енергії, лише у нейтралізації молекулярного кисню, причому цього витрачалися (окислялися) великі кількості органіки. Ферментні системи азотфіксації, для яких дія кисню особливо згубна, були «сховані» у спеціалізовані клітини – гетероцисти, захищені товстою оболонкою та не фотосинтезуючі.
Незабаром і мешканцям другого шару спільноти – пурпурним бактеріям – довелося виробляти аналогічні системи захисту. Як і ціанобактерії, вони сформували ферментні комплекси аеробного дихання з урахуванням фотосинтетичних електронно-транспортних ланцюгів. Саме у пурпурових альфапротеобактерій розвинулася найбільш досконала дихальна ланцюг, яка нині функціонує в мітохондріях всіх еукаріотів. Очевидно, у цій групі вперше сформувався замкнутий цикл трикарбонових кислот - найбільш ефективний метаболічний шлях повного окислення органіки, що дозволяє витягти максимум енергії (Гусєв, Мінєєва, 1992). У нині пурпурових бактерій фотосинтез і дихання являють собою два альтернативні варіанти енергетичного метаболізму, які зазвичай працюють у протифазі. У безкисневих умовах ці організми фотосинтезують, а в присутності кисню синтез речовин, необхідних для фотосинтезу (бактеріохлорофілів та ферментів циклу Кальвіна), пригнічується, і відбувається перемикання клітин на гетеротрофне харчування, засноване на кисневому диханні. Очевидно, механізми цього «перемикання» сформувалися вже в дану епоху.
У третьому шарі спільноти поява вільного кисню мала викликати серйозну кризу. Метаногенні, сульфатредукуючі та інші форми, що утилізують молекулярний водень за допомогою ферментів-гідрогеназ, не можуть існувати в аеробних умовах, оскільки кисень має на гідрогенази інгібуючу дію. Багато бактерій, що виділяють водень, у свою чергу, не можуть рости в середовищі, де немає мікроорганізмів, що його утилізують (Заварзін, 1993). З бродильників у складі спільноти, мабуть, залишилися форми, що виділяють як кінцеві продукти низькоорганічні сполуки, такі як піруват, лактат або ацетат. Ці бродильники виробили деякі спеціальні засоби захисту від кисню і перетворилися на факультативні анаероби або мікроаерофіли. До тих, хто вижив, належали і археї - предки ЯЦК. Можливо, спочатку вони «ховалися» в найнижчих горизонтах спільноти, нижче за шар бродильників. Яким би не був їх метаболізм, в нових умовах він уже не забезпечував підтримки життя. Тому він незабаром повністю замінений, і в сучасних еукаріотів не залишилося жодних його слідів. Не виключено, що спочатку це були метаногенні форми, тому що з сучасних архей саме вони є найбільш цінофільними (насамперед через залежність від молекулярного водню, що виробляється бродильниками), а предок ЯЦК, безсумнівно, мав бути облігатним ценофілом. Метаногенез є найпоширенішим типом енергетичного метаболізму у сучасних архей і не зустрічається у двох інших надцарствах.
Можливо, саме в цей кризовий момент і відбулася ключова подія – ослаблення генетичної ізоляції у предків ЯЦК та початок бурхливого еволюційного експериментування. Предки ЯЦК (можливо, що перейшли до активного хижацтва) інкорпорували генні комплекси різноманітних бродильників до тих пір, поки не замінили собі значну частину архейної «периферії» і не стали самі мікроаерофільними бродильниками, що зброджують вуглеводи по гліколітичному шляху. кислоти. Зауважимо, що сучасні аеробні археї, мабуть, походять від метаногенів, а необхідні для кисневого дихання ферментні системи набули порівняно пізно, причому важливу роль у цьому відіграло латеральне перенесення генів від аеробних бактерій (Brochier et al., 2004).
У цей період у ЯЦК, мабуть, змінилися мембрани (з «архейних», що містять ефіри терпеноїдних кислот, на «бактеріальні», засновані на ефірах жирних кислот), з'явилися мембранні стероли та зачатки актин-тубулінового цитоскелета. Це створювало необхідні передумови для розвитку фагоцитозу та придбання ендосімбіонтів.
У палеонтологічному літописі початок описуваних подій, пов'язаний з появою кисневого фотосинтезу і виходом кількох груп бактерій з активного кругообігу сірки, ймовірно, може бути маркований більш-менш різкими коливаннями вмісту сульфідів і сульфатів у біогенних відкладеннях, особливо в строматолітах. Подібні маркери слід шукати у шарах віком понад 2,7 млрд років, оскільки порушення сірчаного круговороту мали передувати появі стеролів.
Таким чином, поява молекулярного кисню змінила структуру предкового співтовариства. Мешканці третього шару співтовариства - мікроаерофільні, здатні до фагоцитозу, що виділяють лактат і піруват ЯЦК - тепер безпосередньо контактували з новими мешканцями другого шару - аеробними альфапротеобактеріями, які не тільки виробили дієві засоби захисту від кисню, але й навчилися його використовувати. електроннотранспортного ланцюга та циклу трикарбонових кислот. Таким чином, метаболізм ЯЦК та аеробних альфапротеобактерій став взаємододатковим, що створювало передумови для симбіозу. Крім того, саме топографічне розташування альфапротеобактерій у співтоваристві (між верхнім, що виділяє кисень, і нижнім мікроаерофільним шаром) зумовлювало їх роль як «захисників» ЯЦК від надлишків кисню.
Ймовірно, ЯЦК заковтували і набували як ендосимбіонти багатьох різних бактерій. Активне експериментування такого роду і зараз триває у одноклітинних еукаріотів, що мають величезну різноманітність внутрішньоклітинних симбіонтів (Duval, Margulis, 1995; Bernhard et al., 2000). З усіх цих експериментів союз із аеробними альфапротеобактеріями виявився найбільш вдалим і відкрив перед новими симбіотичними організмами величезні еволюційні перспективи.
Очевидно, спочатку після придбання мітохондрій відбувалося масоване перенесення генів ендосимбіонтів у центральний геном ЯЦК (Dyall et al., 2004). В основі цього процесу, очевидно, лежали механізми інкорпорації чужорідного генетичного матеріалу, які склалися у ЯЦК протягом попереднього періоду. Вкрай цікаві недавно отримані дані, які свідчать, що перенесення мітохондріальних генів в ядерний геном міг відбуватися цілими великими блоками (Martin, 2003), тобто. саме так, як за нашими припущеннями, відбувалася інкорпорація чужорідних генів ядерно-цитоплазматичним компонентом ще до придбання мітохондрій. Інший можливий механізм інкорпорації генів у центральний геном ЯЦК включав зворотну транскрипцію (Nugent, Palmer, 1991).
Усі передбачувані трансформації ЯЦК, до придбання эндосимбионтов-альфапротеобакетрий, навряд чи могли відбуватися повільно, поступово і великих територіях. Скоріше вони відбувалися досить швидко і локально, т.к. організми (ЯЦК) перебували у цей час у вкрай нестійкому стані - стадії дестабілізації (Раутіан, 1988). Можливо, повернення до еволюційно-стабільного стану та відновлення ізоляційних бар'єрів відбулися незабаром після придбання мітохондрій, і лише в тій лінії ЯЦК, в якій виник цей найбільш вдалий симбіоз. Усі інші лінії, швидше за все, швидко вимерли.
Придбання мітохондрій зробило еукаріотів повністю аеробними організмами, які мали тепер всі необхідні передумови для здійснення фінального акту інтергації - придбання пластид.
Висновок
Порівняльний аналіз білкових доменів у трьох надцарствах (Archaea, Bacteria, Eukaryota) підтверджує симбіогенетичну теорію походження еукаріотів. Від архей еукаріоти успадкували багато ключових компонентів інформаційних систем нуклеоцитоплазми. Бактеріальні ендосімбіонти (мітохондрії та пластиди) зробили великий внесок у формування метаболітичних та сигнально-регуляторних систем не тільки в органелах, а й у цитоплазмі. Однак ще до придбання ендосімбіонтів археї – предки нуклеоцитоплазми – отримали багато білкових комплексів з метаболітичними та сигнально-регуляторними функціями шляхом латерального перенесення від різних бактерій. Очевидно, в еволюції предків нуклеоцитоплазми був період дестабілізації, під час якого ізоляційні бар'єри різко ослабли. Протягом цього періоду відбувалася інтенсивна інкопрорація чужорідного генетичного матеріалу. У ролі «спускового гачка» ланцюжка подій, що призвели до появи еукаріотів, виступила криза прокаріотних угруповань, викликана переходом ціанобактерій до кисневого фотосинтезу.
Список літератури
Гусєв М.В., Мінєєва Л.А.Мікробіологія. Третє видання. М.: Вид-во МДУ, 1992.
Домарадський І.В.Молекулярно-біологічні основи мінливості Helicobacter pylori // Журнал мікробіології, 2002 № 3,С. 79-84.
Заварзін Г.А.Розвиток мікробних співтовариств історія Землі // Проблеми доантропогенной еволюції біосфери. М.: Наука, 1993. З. 212-222.
Літошенко О.І.Еволюція мітохондрій// Цитологія. Генетика. 2002. Т. 36. № 5. С. 49-57.
Маргеліс Л. 1983. Роль симбіозу в еволюції клітини. М: Світ. 352 с.
Марков О.В.Проблема походження еукаріотів // Палеонтол. журн. У пресі.
Раутіан А.С.Палеонтологія як джерело відомостей про закономірності та фактори еволюції // Сучасна палеонтологія. М.: Надра, 1988. Т.2. З. 76-118.
Федоров В.Д.Синьо-зелені водорості та еволюція фотосинтезу // Біологія синьо-зелених водоростей. 1964.
Bernhard J.M., Buck K.R., Farmer M.A., Bowser S.S. Santa Barbara Basin є symbiosis oasis // Nature. 2000. V. 403. № 6765. P. 77-80.
Brocks JJ, Logan G.A., Buick R., Summons R.E. Archean molecular fossils and early rise of eukaryotes // Science. 1999. V. 285. № 5430. P. 1025-1027.
Brochier C., Forterre P., Gribaldo S. Archaeal phylogeny заснований на proteínах перенесення та переведення технічних засобів: котіння на Methanopyrus kandleri paradox // Genome Biol. 2004. V.5. N 3. P. R17.
Canback B., Andersson S. G. E., Kurland, C. G. Global phylogeny of glycolytic enzymes // Proc. Natl. Acad. SCI. U. S. A. 2002. N 99. P. 6097-6102.
Cavalier-Smith T.Неомуран origin archaebacteria, negibacterial root універсальний і bacterial megaclassification // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2002. № 52. Pt 1. P. 7-76.
Coulson R.M., Enright AJ, Ouzounis C.A. Transcription-associated protein families є в основному taxon-specific // Bioinformatics. 2001. V.17. N 1. P. 95-97.
Dohlen C.D., von, Kohler S., Alsop S.T., McManus W.R. Mealybug beta-proteobacterial endosymbionts містить gamma-proteobacterial symbionts // Nature. 2001. V. 412. N 6845. P. 433-436.
Долан М.Ф., Мельнітський H., Margulis L., Kolnicki R. Motility proteins and origin of nucleus // Anat. Rec. 2002. N 268. P. 290-301.
Duval B., Margulis L.Мікробіальна комунікативна опрідіум versatile колонії: ендосимбіонти, респонденти, і тананти // Симбіоз. 1995. N 18. P. 181-210.
Dyall S.D., Brown M.T., Johnson P.J. Ancient Invasions: From Endosymbionts to Organelles // Science. 2004. V. 304. N 5668. P. 253-257.
Dyall S.D., Johnson P.J. Origins of hydrogenosomes and mitochondria: evolution and organelle biogenesis // Curr. Opin. Microbiol. 2000. V. 3. N 4. P. 404-411.
Ent F., van den, Amos L.A., Lцwe J.Прокаріотіческій origin з діям cytoskeleton // Nature. 2001. V. 413. N 6851. P. 39-44.
Esser C., Ahmadinejad N., Wiegand C. та ін. A Genome Phylogeny для Mitochondria Among Alpha-Proteobacteria і Predominantly Eubacterial Ancestry Yeast Nuclear Genes // Mol. Biol. Evol. 2004. V. 21. N 9. P.1643-1660.
Feng DF, Cho G., Doolittle RF.Визначення divergence times with protein clock: Update and reevaluation // Proc. Natl. Acad. SCI. США. 1997. V. 94. P. 13028-13033.
Gabaldуn T., Huynen M.A. Reconstruction of the Proto-Mitochondrial Metabolism // Science. 2003. V. 301. N 5633. P. 609.
Gray MW, Burger G., Lang BF. Mitochondrial Evolution // Science. 1999. V. 283. N 5407. P. 1476-1481.
Gupta R.S. Protein Phylogenies and Signature Sequences: A Reappraisal of Evolutionary Relationships від Archaebacteria, Eubacteria, and Eukaryotes // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 1998. V. 62. N 4. P. 1435-1491.
Guerrero R., Pedros-Alio C., Esteve I. та ін. Predatory prokaryotes: predation і primary consumption evolved in bacteria // Proc. Nat. Acad. SCI. США. 1986. N 83. P. 2138-2142.
Hartman H., Fedorov A.Початок eukaryotic cell: genomic investigation // Proc. Nat. Acad. SCI. США. 2002. V. 99. N 3. P. 1420-1425.
Helenius A., Aebi M. Intracellular функцій N-linked glicans // Science. 2001. V. 291. N 5512. P. 2364-2369.
Jenkins C., Samudrala R., Anderson I. та ін. Genes for cytoskeletal protein tubulin в bacterial genus Prostecobacter. // Proc. Natl. Acad. SCI. U S A. 2002. V. 99. N 26. P. 17049-17054.
Kurland C.G., Andersson S.G.E.Початок і еволюція мітоchondrial proteome // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2000. V. 64. N. 4. P. 786-820.
Margulis L., Bermudes D. Symbiosis як mechanismus evolution: status of cell symbiosis theory // Symbiosis. 1985. N 1. P. 101-124.
Margulis L., Dolan MF, Guerrero R.хімічний eukaryote: origin of nucleus from the karyomastigont in amitochondriate protists // Proc. Natl. Acad. SCI. UA A. 2000. V. 97. N 13. P. 6954-6959.
Martin W. Gene transfer від organelles до nucleus: Frequent and in big chunks // Proc. Natl. Acad. SCI. U.S.A. 2003. V. 100. N 15. P. 8612-8614.
Martin W. Muller M. Hydrogen hypothesis for first eukaryote // Nature. 1998. N 392. P.37-41.
Martin W., Russell MJ.На підставах клітин: hypothesis for evolutionary transitions від abiotic geochemistry до chemoautotrophic prokaryotes, і від prokaryotes до nucleated cells // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. SCI. 2003. V. 358. N 1429. P. 59-85.
Martin W, Schnarrenberger C.Розвиток Calvin cycle від prokaryotic to eukaryotic chromosomes: в разі вивчення функціональної redundancy в давніх степенях через endosimbiosis // Curr Genet. 1997. V. 32. N 1. P. 1-18.
Mayer F. Cytoskeletons в prokaryotes // Cell. Biol. Int. 2003. V. 27. N 5. P. 429-438.
Ng W.V., Kennedy S.P., Mahairas G.G. та ін. Genome sequence of Halobacterium species NRC-1 // Proc. Natl. Acad. SCI. U S A. 2000. V. 97. N 22. P. 12176-12181.
Noon K.R., Guymon R., Crain P.F. та ін.Вплив терапії на tRNA modification в archaea: Methanococcoides burtonii (оптимум зростання температури, 23 градусів C) і Stetteria hydrogenophila (Topt, 95 градусів C) // J. Bacteriol. 2003. V. 185. N 18. P. 5483-5490.
Nugent J.M., Palmer J.D. RNA-mediated transfer of gene coxII від митохондріон до Nucleus під час flowering plant evolution // Cell. 1991. V. 66. N 3. P. 473-481.
Slesarev A.I., Belova G.I., Kozyavkin S.A., Lake J.A.Оцінка для попереднього прокаріотичного походження histones H2A і H4 є приором до виходу eukaryotes // Nucleic Acids Res. 1998. V. 26. N 2. P. 427-430.
Theissen U., Hoffmeister M., Grieshaber M., Martin W.Один ебуктерійний оригінал з еукаріотичного sulfide: Quinone Oxidoreductase, Мітокондріальний ензим поміщений з першої еволюції еукаріотів протягом anoxic і sulfidic Times // Mol. Biol. Evol. 2003. V. 20. N 9. P. 1564-1574.
Vellai T., Takacs K., Vida G.Новий аспект до оригіналу і еволюції eukaryotes // J. Mol. Evol. 1998. V. 46. N 5. P. 499-507.
Vellai T., Vida G.Початок eukaryotes: difference між prokaryotic і eukaryotic cells // Proc. R. Soc. Lond. B Biol. SCI. 1999. V. 266. N 1428. P. 1571-1577.
Walden W.E.З bacteria to mitochondria: Aconitase yields surprises // Proc. Natl. Acad. SCI. U. S. A. 2002. N 99. P. 4138-4140.
Тут і далі «доменами архейного походження» умовно будуть називатися домени, що є у еукаріотів та архей, але відсутні у бактерій. Відповідно, домени, що є у бактерій та еукаріотів, але відсутні в архей, будемо називати «доменами бактеріального походження».
- Вконтакте 0
- Google+ 0
- ОК 0
- Facebook 0
