Previous Entry Share Next Entry
Корни эукариот
caenogenesis
Возникли некоторые мимолетные мысли о происхождении эукариот, которые я записал и предлагаю ниже на обсуждение (сейчас мне это будет полезно). Вопросы, замечания и дополнения от специалистов приветствуются. И от дилетантов - тоже.

* * *

Недавно прогремевшее открытие асгардархеот, безусловно, является замечательным достижением эволюционной биологии. Теперь мы знаем точный "адрес", по которому на эволюционном древе можно найти архейного предка эукариот. Но значит ли это, что проблема происхождения эукариот полностью решена? Конечно, нет.
Проблема происхождения эукариот - одна из самых сложных и запутанных проблем во всей эволюционной биологии. В этом блоге она уже обсуждалась, но довольно кратко (о некоторых гипотезах тогда вообще пришлось умолчать). Так что к этой теме не грех ненадолго вернуться.
Итак, чем эукариотная клетка отличается от прокариотной? Во-первых, в ней есть сложная система внутренних мембран, непременно образующая ядро - ту самую структуру, которой эукариоты обязаны своим названием. Во-вторых, в ней обязательно есть митохондрии (или хотя бы их остатки). В-третьих, в эукариотной клетке смешаны компоненты, имеющие совершенно разное происхождение - как бактериальное, так и архейное. Проще говоря, все эукариоты являются генетическими химерами. Любой состоятельный сценарий происхождения эукариот должен внятно объяснить эти три особенности их клеток. Причем желательно все разом - так, чтобы не приходилось вводить дополнительные предположения ad hoc.
Надо сказать, что объяснить перечисленные признаки по отдельности было бы гораздо проще. Приобретение митохондрий легко объясняется симбиозом: предок эукариот когда-то "проглотил" бактерию, ставшую предком митохондрий, и оставил ее внутри себя жить. Обилие в эукариотной клетке бактериальных генов и белков можно объяснить горизонтальным переносом генов: предок эукариот жил в каком-то сложном бактериальном сообществе, вот и нахватался генов от соседей. Ну, а ядро вполне могло возникнуть из впячивания плазматической мембраны, которое отшнуровалось и замкнулось. Судя по всему, очень похожая вещь произошла у одной интересной группы грамотрицательных бактерий, которая называется планктомицетами (Fuerst, 2005). У них есть довольно сложная система внутренних мембран, окружающая ту область цитоплазмы, где находится ДНК, и у некоторых родов это выглядит как самое настоящее клеточное ядро (Fuerst, 2010). Вероятно, все внутренние мембраны планктомицетов развились из впячиваний их плазматической мембраны (иногда уже от нее отшнуровавшихся): больше-то, в общем, и неоткуда. Самое же любопытное, что планктомицеты - не родственники эукариот, и возникновение ядра (если его можно так назвать) наверняка произошло у них совершенно независимо (McInerney et al., 2011). Но это как раз и убеждает, что такие события вполне возможны.
Сейчас, однако, нам нужно несколько другое. Нам нужен эволюционный сценарий, который удовлетворительно объяснял бы все главные особенности эукариот - и ядро, и митохондрии, и "химерность". Есть ли такой сценарий в нашем распоряжении?
Серьезные попытки его создать, безусловно, налицо. Ближе всего к идеалу сейчас, видимо, подошли уже упоминавшиеся в этом блоге гипотезы Евгения Кунина и двоюродных братьев Баумов (Yutin et al., 2009; Baum, Baum, 2014). Эти гипотезы несколько отличаются друг от друга, но, так или иначе, обе они утверждают примерно следующее. Предком эукариот была некая архея, которая обзавелась наружным симбионтом в виде альфа-протеобактерии. Со временем альфа-протеобактерия оказалась окружена выростами архейной клетки, и наружный симбиоз превратился во внутренний. Одновременно с этим (и, вероятно, вследствие этого) возникло ядро. В этом месте гипотезы расходятся. Кунин полагает, что ядро образовалось из слившихся мембранных пузырьков, а Баумы высказали и вовсе парадоксальную идею: ядро эукариот соответствует "телу" архейной клетки, разросшиеся выросты которой охватили альфа-протеобактерий и слились друг с другом, образовав тем самым эукариотную цитоплазму. В любом случае изоляция архейного генома в ядре оказалась полезной, чтобы защитить его от чрезмерно активного проникновения генетического материала бактерий-симбионтов; но такое проникновение все равно на первых порах происходило, и генетическая "химерность" эукариотной клетки объясняется именно этим.
Что ж, авторы этих гипотез сложили паззл почти до конца. Но все-таки лишь "почти" - потому что есть, например, еще такой бросающийся в глаза факт, как различие архейных и бактериальных клеточных мембран. Архейные мембраны состоят из "правозакрученных" фосфолипидов. Бактериальные - из "левозакрученных". Разница между ними вполне фундаментальна. А теперь спросим себя: почему же в эукариотной клетке все мембраны (и плазматическая, и ядерная, и вакуолярные) относятся к бактериальному типу? Это парадоксальный факт, на первый взгляд вовсе не следующий ни из гипотезы Кунина, ни из гипотезы Баумов. Исходя из этих гипотез, можно было бы скорее ожидать обратного: ведь это архея охватила и поглотила бактерию, а не наоборот. Конечно, объяснить наблюдаемые факты при желании все равно легче легкого: мы же знаем, что большинство генов "домашнего хозяйства" (обеспечивающих всевозможные синтезы и транспорты) в эукариотных геномах имеет бактериальное, а не архейное происхождение; вот продукты этих генов и взяли на себя синтез компонентов мембран, а поскольку "правозакрученные" и "левозакрученные" молекулы в одной мембране плохо совместимы, то архейные мембранные липиды в итоге были полностью вытеснены бактериальными. И все бы хорошо - если не считать, что тут перед нами типичное объяснение ad hoc, не вытекающее само по себе из основной гипотезы. (Это, кстати, не значит, что оно обязательно неверно.)
Тут полезно вспомнить историю науки. В старинной астрономии почетное место занимало понятие "спасения явлений" (во многом определявшее всю ее методологию). "Спасти" тот или иной факт значило привести его в согласие с единой теорией, которая, в свою очередь, должна была согласоваться со всеми остальными наблюдаемыми фактами. Иногда эта операция оказывалась очень непростой. Докоперниковская астрономия породила ради нее представление о движении планеты по эпициклу - маленькой окружности, центром которой является точка, движущаяся по большой орбите. Астрономический эпицикл со временем стал настоящим символом вспомогательной гипотезы, ниоткуда не вытекающей и нужной лишь для того, чтобы свести концы с концами (то, что мы выше назвали ad hoc, "специально для этого случая"). В конце концов борьба за наилучшее "спасение явлений" привела к тому, что геоцентрическая система сменилась на гелиоцентрическую, позволившую от эпициклов отказаться. Что ж, европейская наука всегда, еще со времен Пифагора и Платона, руководствовалась идеей, что рациональное объяснение мира должно быть по возможности единым. На то она и европейская.
А не можем ли и мы в вопросе происхождения эукариот, условно говоря, поменять местами Землю и Солнце? Хотя бы чтобы посмотреть, что из этого выйдет. До сих пор мы исходили из идеи, что на заре эволюции эукариот бактерия (вероятно, альфа-протеобактерия) была захвачена и поглощена какой-то археей. А что, если наоборот: архея была захвачена и поглощена какой-то бактерией?
Обратившись к литературе, мы сразу увидим, что это отнюдь не фантазия на пустом месте. В последнее десятилетие XX века подобные гипотезы были удивительно популярны, да и сейчас у них есть осторожные сторонники (Sogin, 1991; Gupta et al., 1994; Lake, Rivera, 1994; Moreira, Lopez-Garsia, 1998; Lopez-Garsia, Moreira, 1999; Lake, 2015; Lopez-Garsia, Moreira, 2015). Существует целое семейство гипотез, согласно которым ядро имеет симбиотическое происхождение - от археи, встроившейся в клетку более крупной бактерии и окруженной ее сомкнутыми выростами. Образцом такой гипотезы можно считать эволюционный сценарий, который опубликовали в 1996 году Радхей Гупта (Radhey S. Gupta) и Брайан Голдинг (G. Brian Golding); у этих авторов есть полная аргументация и нет ничего лишнего (Gupta, Golding, 1996). Гупта и Голдинг изучали эволюцию белков, сравнивая аминокислотные последовательности. И они пришли к выводу, который в целом подтверждается и сегодня: примерно половина эукариотных белков восходит к археям, а другая половина - к грамотрицательным бактериям. Это соотношение настолько близко к равному, что классическая теория (согласно которой архейный предок эукариот всего лишь захватил бактериального симбионта как некий "предмет роскоши") становится неубедительной. Кроме того, это соотношение невозможно объяснить простым горизонтальным переносом генов (хотя его интенсивность и могла быть в древние времена выше, чем сейчас). Такой перенос шел бы равномерно между всеми участниками микробного сообщества. И если бы дело было только в нем, то предок эукариот "нахватался" бы генов от самых разных соседей-бактерий - и грамположительных, и грамотрицательных. Между тем Гупта и Голдинг обнаружили, что у эукариот очень много белков и генов, каким-то образом унаследованных от грамотрицательных бактерий, а вот от грамположительных - не нашлось ни одного. И, конечно, эта избирательность не случайна. Состав эукариотного генома дает все основания полагать, что при возникновении эукариот клетки археи и грамотрицательной бактерии просто слились. Получилась единая клетка, сначала унаследовавшая геномы обоих "родителей" (Гупта и Голдинг так их и называют). Но, поскольку два полнофункциональных генома клетке были не нужны, часть каждого из них исчезла, а между оставшимися частями произошло разделение функций. Из архейного генома в эукариотной клетке остались в основном "информационные" гены, обеспечивающие работу самого генетического аппарата. А из бактериального генома - в основном "операционные" гены, обеспечивающие обмен веществ. Тогда логично предположить, что в химерной структуре (каковой, без сомнения, является эукариотная клетка) от археи произошло ядро, а от бактерии - цитоплазма вместе с наружной мембраной. Получается, что архея проникла внутрь бактерии. Вероятно, сначала она жила во впячивании ее наружной мембраны (этаком "заливе"). Потом глубокие складки мембраны бактерии, со всех сторон охватившие архею, сомкнулись друг с другом, образовав в результате ядро и эндоплазматическую сеть. После этого плазматическая мембрана самой археи стала лишней и исчезла. Фактически от археи остался голый генетический аппарат, заключенный внутри системы бактериальных мембран. Ну, а гены самой бактерии, сначала находившиеся снаружи от ядра, постепенно мигрировали в него (молекулярные механизмы, делающие возможной такую миграцию, уж точно существуют). И получилась нормальная эукариотная клетка.



Интересно, что в гипотезе Гупты - Голдинга (назовем ее так, хотя ее поддерживали и другие ученые) есть кое-что общее с уже знакомой нам гипотезой Баумов. И там и там получается, что остаток цитоплазмы архейной клетки находится в эукариотном ядре. Хотя приводящие к этому выводу сценарии прямо-таки противоположны. Гипотеза Баумов, при всем ее бесспорном изяществе, по части состава мембран (архейные versus бактериальные) дает предсказания, строго обратные тому, что наблюдается в действительности, и выйти из этого положения она может только путем добавления "эпициклов".
Пурификасьон Лопес-Гарсия (Purification Lopez-Garsia) и Давид Морейра (David Moreira) справедливо замечают, что загадочное превращение архейных мембран в бактериальные остается настоящей ахиллесовой пятой традиционных симбиотических гипотез, согласно которым бактерия поселилась внутри клетки археи (Lopez-Garsia, Moreira, 2015). А вот если допустить, что это архея поселилась внутри клетки бактерии, то проблема мембран тут же снимается и существующая картина получает самое естественное объяснение.
Слабые места у этой гипотезы тоже есть - куда ж без них. Прежде всего, она никак не объясняет происхождения митохондрий (которые, как-никак, тоже потомки грамотрицательных бактерий и являются источником по меньшей мере части генов, полученных эукариотами из этой эволюционной ветви). С учетом гипотезы Гупты - Голдинга выходит, что симбионтов, без которых немыслим эукариотный организм, было не два, а три. Сначала клетка археи слилась с клеткой какой-то неведомой грамотрицательной бактерии, а потом образовавшийся гибридный монстр присоединил к себе еще и предка митохондрии.
Может показаться, что такой сложный сценарий, включающий дополнительных участников, нарушает принцип экономии мышления (согласно которому критерий истины состоит в достижении максимума знаний с помощью минимума познавательных средств). Это, возможно, и не страшно: механизм столь уникального события, каким, судя по всему, стало возникновение эукариот, не мог быть простым. Хуже другое. Древнейший бактериальный хозяин симбиотической археи (если он был) до сих пор неизвестен. На эту тему были предположения, но проверить их оказалось очень трудно. Видимо, древнейший бактериальный предок (повторимся: если он был) в процессе интеграции в эукариотную клетку изменился до неузнаваемости - в отличие от митохондрий, которые вступили в симбиоз позже и в целом сохранили характерный для себя тип обмена веществ (Lopez-Garsia, Moreira, 2015).
Другое замечание касается стройной схемы, по которой архейные гены (информационные) управляют генетическим аппаратом, а бактериальные (операционные) обменом веществ в цитоплазме. Из этой схемы есть одно важное исключение: цитоскелет. Белки цитоскелета - типично "операционные", характерные не для ядра, а для цитоплазмы, но уж они-то абсолютно точно унаследованы эукариотными клетками от архей. Тут налицо, как сказали бы геологи, несогласие, давно беспокоящее исследователей (Hartmann, Fedorov, 2002). Конечно, объяснить его так или иначе можно: гены белков цитоскелета могли выборочно сохраниться при слиянии клеток просто потому, что к тому моменту они были "ноу-хау" архей, очень полезным и не имевшим никаких бактериальных аналогов. Но в любом случае это еще раз показывает, с какой сложной проблемой мы имеем дело. Остается дождаться, пока исследователи извлекут из морских бездн живых асгардархеот: тогда, скорее всего, что-нибудь да прояснится.

  • 1

А можно-ли попытаться определить, насколько та бактерия, которая стала химерой с археей, родственна предку митохондрий?


Видимо, нет. Единственная группа грамотрицательных бактерий, определенно давшая вклад в геном эукариот - это альфа-протеобактерии, предки митохондрий. От других групп сигнал забит шумом.
Весь вопрос в том, достаточно ли вселения митохондрий, чтобы полностью объяснить бактериальный вклад в геном эукариот. И если недостаточно, то равномерный ли вклад в геном дали грамотрицательные и грамположительные бактерии (среди которых предок эукариот мог бы жить). Если ответ на оба вопроса окажется отрицательным, то гипотезу Гупты нельзя сбрасывать с повестки дня.

"а Баумы высказали парадоксальную и смелую идею, что исходная клетка археи соответствует только ядру эукариотной клетки; вся остальная ее часть, по мнению Баумов, развилась из выростов клетки археи, которые постепенно охватили альфа-протеобактерию и замкнули ее в себе." - не очень понятная фраза.

Что именно в этой фразе непонятно? Давайте поправлю.

архейная клетка стала _только_ ядром, вся остальная часть эукаритической клетки развилась из выростов архейной, которые... - то есть цитоплазма тогда и архейная, и бактериальная по происхождению, тогда непонятно что значит только про ядро

Сегодня мы видим "межвидовой" перенос генов у вирусов и бактерий. Редко у растений, крайне редко у млекопитающих (неандерталец и денисовец -> H. sapiens). Man-made GMO - не в счёт. Отсюда следует, что раньше к межвидовому переносу генетического материала относились проще. Поэтому меня не смущает изрядная мозаичность источников генов у эукариот. Я считаю, что природа имела достаточно времени, чтобы попробовать все описанные и неупомянутые вами стратегии, прежде чем остановиться на выигрышном вырианте. Тем более, что мы имеем свойство тащить хвосты в виде генетического мусора или чужеродных генов.

Объяснение процесса обычно сложнее простого перебора вариантов. Если вы выбросите мяч из окна: количество применимых к этому событию формул будет большим, но природа моментально решит, что делать с вашим мячом. По-этому, проблема - в нас. Мы хотим точного ответа на вопросы из разряда: что было раньше, яйцо или курица? А раньше было всё: и протояйца и протокурицы. Скорее всего, что эукариоты вытеснили своего промежуточного предка/предков из занимаемой ниши. А нам не хватает этого звена (вида?, нескольких типов?), чтобы объяснить всю цепь событий. Найдем ли мы его? К сожалению, необязательно, ибо из его важности не следует его массовость и длительность существования.

Я хотел сказать, что меня не смущают явные нестыковки в описываемых стратегиях. Ибо настоящая история была сложнее, а упрощенное изложение имеет свои недостатки.

Это все понятно и, в общем, верно. Но какой-то рабочий сценарий все равно нужен. О том, что реальная история вряд ли соответствовала принципу экономии мышления, я и сам пишу.

У меня есть много что сказать.
1) Сценарий Гупты (архея внутри бактерии) предсказывает, что у эукариот будут три основных источника генов - архея, альфа-протеобактериальный предок митохондрии и неизвестный бактериальный предок цитоплазмы. Деревья отдельных генов, однако, показывают, что большинство генов эукариот имеют либо архейное, либо альфа-протеобактериальное происхождение. От других групп бактерий (многих разных) надергано по чуть-чуть. Это можно списать на то, что предок цитоплазмы принадлежал либо к вымершей ветви бактерий, либо к альфа-протеобактериям, как и протомитохондрия - но это уже лишний эпицикл.

2)Об источниках горизонтального переноса генов. В аэробных микробных сообществах, где появились эукариоты, резко преобладают грамотрицательные клетки, прежде всего циано- и протеобактерии. Не удивительно, что они преобладают и среди доноров генов. Грам-положительные тоже, впрочем, внесли некоторый вклад, например, все ферменты гликолиза у эукариот получены от клостридий. В 1996 году (время работы Гупты и Голдинга) выборка микробных геномов была слишком маленькой, чтобы в этом разобраться.

3) В гипотезе Баумов вопрос мембранных липидов освещен. Гены синтеза липидов у эукариот имеют альфа-протеобактериальное происхождение. Более того, синтез липидов идет в местах контакта ЭР с митохондриями. То есть в какой-то момент будущие митохондрии стали донорами липидов для архейного хозяина.

4) Следы архейных липидов у эукариот сохраняются в секторе инозитол-фосфатных липидов. Шестиатомный спирт инозитол может фосфорилироваться по разным позициям, разные инозитол-фосфатные липиды маркируют разные клеточные компартменты эукариот. Ферменты синтеза инозитол-фосфатов унаследованы эукариотами от архей. Правда, у эукариот инозитол-фосфат стал пришиваться к G3P с жирнокислотными хвостами, а у архей он пришивался к G1P с терпеновыми хвостами, но у бактерий его вообще нет.

Edited at 2017-05-21 07:55 pm (UTC)

Спасибо за такой подробный комментарий. Да, теория Баумов выстроена основательно. Я это оценил сразу, а сейчас еще раз убедился.

Имею вопрос по пункту 1, насчет вклада бактерий в геном эукариот. Позволяет ли геномика надежно отличить вклад альфа-протеобактерий от вклада ДЕЛЬТА-протеобактерий (если предположить, что такой был)?

UPD. Хм, уже вижу, что да. Сейчас еще подумаю над данными. Но в любом случае, позиция Баумов сейчас сильнее, чем позиция Лопес-Гарсия и Морейры - это надо признать.

Edited at 2017-05-21 11:37 pm (UTC)

(продолжение)

5)кстати, синтез инозитол-фосфатов происходит в ядре, Баумы на это обращают внимание

6)" а поскольку "правозакрученные" и "левозакрученные" молекулы в одной мембране плохо совместимы, то архейные мембранные липиды в итоге были полностью вытеснены бактериальными." - Есть нюансы. Если смешать липиды с одним типом хвостов, но разной хиральностью глицерола, то происходит хиральная сегрегация (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10060026, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la9912794?journalCode=langd5). А если смешивать архейные липиды (G1P с терпенами) и бактериальные (G3P с жирными кислотами), то смесь вполне стабильна и мембраны из нее нормально работают (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/bi200172d). Тут (http://scorcher.ru/theory_publisher/show_art.php?id=680) в обсуждении с Валерием Анисимовым мы подробнее на этом останавливаемся.

7)Уже у локиархей с липидами что-то странное. Вот здесь http://sci-hub.cc/10.1111/1462-2920.13361 пишут, что у них нет ферментов синтеза G1P. Зато, похоже, они могут синтезировать G3P, жирные кислоты и даже соединять их с G3P. Набор ферментов для соединения глицерола с хвостами указывает, что у Loki вообще могут быть химерные липиды из G3P с терпеновым хвостом в 1 положении и жирнокислотным во 2.
Причем ферменты пришивания ЖК к 2 позиции G3P Loki получил горизонтальным переносом от грам-положительных фирмикут, т.е. это не родственно эукариотным ферментам альфа-протеобактериального происхождения.

  • 1
?

Log in

No account? Create an account