June 21st, 2016

Введение в биологию (Xb)

Тема Xb
ЭУКАРИОТЫ (продолжение)


Считается, что именно путем фагоцитоза были приобретены такие органеллы, как митохондрии и пластиды. Эти органеллы - потомки бактерий, которые когда-то были захвачены эукариотной клеткой и остались жить в ней, снабжая хозяина полезными продуктами обмена веществ: митохондрии в первую очередь поставляют АТФ, пластиды - глюкозу. И митохондрии, и пластиды могут сохранять собственную ДНК и рибосомы, причем ДНК там, как правило, кольцевая, а рибосомы - бактериального типа (они отличаются от эукариотных). Ни митохондрии, ни пластиды никогда не образуются de novo, они размножаются делением. Оболочка митохондрий и пластид состоит как минимум из двух мембран, наружная из которых - это бывшая мембрана вакуоли-фагосомы хозяина, а внутренняя - мембрана самой бактерии. Что это были за бактерии, более-менее известно: митохондрии, скорее всего, произошли от пурпурных альфа-протеобактерий, а пластиды - от уже упоминавшихся сине-зеленых водорослей, они же цианобактерии.
Взаимовыгодное сожительство двух разных организмов в биологии называют симбиозом. Союз митохондрий и хлоропластов с эукариотами - это безусловно симбиоз: бывшие бактерии снабжают хозяина полезными веществами, получая взамен стабильные условия и защиту от других хищников. Симбиоз, один из участников которого живет внутри другого, называется эндосимбиозом. Так что если мы захотим выразиться старомодно-наукообразно, то скажем, что митохондрии и пластиды имеют эндосимбиотическое происхождение. Кроме того, идею о таком происхождении митохондрий и пластид раньше называли теорией симбиогенеза, но сейчас это уже и не теория, а общепризнанный факт.



Митохондрии, безусловно, появились раньше, чем пластиды. Во многих эволюционных ветвях эукариот (в том числе и в нашей) никаких пластид просто нет и, судя по всему, никогда не было. С митохондриями ситуация совершенно иная. У всех без исключения современных эукариот, изученных по этому признаку, есть или собственно митохондрии, или их маленькие рудименты, сохранившие часть биохимических функций, или - на худой конец - митохондриальные гены, успевшие когда-то мигрировать в ядро и встроиться в ядерный геном. Скорее всего, это означает, что у общего предка всех современных эукариот митохондрии уже были.
Известно, что митохондрии легко (конечно, по эволюционным меркам легко) исчезают при переходе к жизни в бескислородных условиях, где они почти бесполезны. Ведь основная функция митохондрии - это окислять атмосферным кислородом глюкозу до углекислоты, синтезируя в результате АТФ. Бескислородные местообитания, где митохондрии не нужны - это обычно или чей-нибудь кишечник, или некоторые типы морских и пресноводных донных осадков. Митохондрии отсутствуют даже у некоторых многоклеточных животных, и тут уж точно нет никаких сомнений, что они исчезли вторично (Ястребов, 2015).
Так что последовательность событий на приведенной выше картинке (я взял ее с одного французского сайта, переведя подписи) показана совершенно правильно. Хлоропласты - это разновидность пластид, которую мы видим у зеленых растений. Организм, способный использовать кислород для получения энергии, называется аэробным, неспособный - соответственно, анаэробным. Предки эукариот стали аэробными только после того, как приобрели митохондрии. То существо, которое проглотило предка митохондрии, французы из осторожности назвали "примитивным фагоцитом" (еще не эукариотом); и в самом деле, далеко не факт, что у него уже был весь набор эукариотных признаков.



Напомню, что эукариоты эволюционно близки не к бактериям, а к археям. Скорее всего, они прямо от них и произошли. Наоборот, предки митохондрий и хлоропластов - не археи, а бактерии. Тут произошло слияние эволюционных ветвей, относящихся к разным доменам, что мы и видим на древе.
Отдельный интересный сюжет, связанный с митохондриями, касается вариабельности генетического кода. Когда генетический код расшифровали, считалось, что он абсолютно единый и всеобщий для всех живых существ Земли - от вируса до слона. Это почти так и есть, но не совсем. Митохондриальные геномы - одно из мест, где в генетическом коде встречаются отклонения, причем достаточно многочисленные и разные у разных эукариот. Например, у человека митохондриальный генетический код отличается от "базового" генетического кода, который действует у того же человека в ядерном геноме, значениями четырех кодонов. Поскольку митохондрия имеет свой аппарат синтеза белка, то на работу ядерных генов изменения в ее генетическом коде никак не влияют. Просто в одной и той же клетке одновременно функционируют два разных генетических кода - ядерный и митохондриальный.
Скорее всего, изменения в генетическом коде митохондрий стали накапливаться уже после того, как митохондрии стали внутриклеточными симбионтами. Со временем большая часть митохондриальных генов перешла в ядро, а оставшийся митохондриальный геном стал таким маленьким, что сбой его работы (который неизбежно случится, если внести изменение в генетический код) перестал быть обязательно смертельным. После того, как в митохондриальном генетическом коде накопилось некоторое количество изменений, миграция митохондриальных генов в ядро прекратилась, потому что митохондриальные белки стало уже невозможно правильно синтезировать на эукариотных рибосомах. Если бы не это, митохондрии, возможно, в конце концов совсем потеряли бы генетический аппарат, и тогда разгадать их симбиотическое происхождение было бы гораздо труднее.

Введение в биологию (Xc)

Тема Xc
ЭУКАРИОТЫ (продолжение)


Факты, которые нам теперь известны, легко встроить в следующий ряд событий. От какой-то археи произошел первый эукариот, который научился фагоцитозу, стал хищником, а потом "поработил" часть своих жертв, решив их не переваривать, и в результате приобрел митохондрии и пластиды. В современных научных статьях предполагаемый захват эукариотами предков митохондрий и пластид так и называют порабощением (enslavement). Но есть два соображения, заново затуманивающих эту ясную картину.
Во-первых, в геноме эукариот много генов бактериального происхождения, причем полученных не только от митохондрий и пластид, но и от других групп бактерий, с которыми никакого эндосимбиоза никогда не было. Напомню еще раз, что главная часть эукариотной клетки, несомненно, произошла от клетки археи. Между тем подробный анализ эукариотных белков и генов, которые их кодируют, показывает следующее. Непосредственно от архей эукариоты унаследовали белки, работа которых связана с передачей генетической информации - например, белки транскрипции, трансляции и репликации. А вот белки, обеспечивающие обмен веществ в цитоплазме, оказались в большой степени унаследованными от бактерий, причем от разных. Сильно упрощая, можно сказать, что "информационные" гены (ответственные за геном) эукариоты получили от архей, а "операционные" гены (ответственные за питание и взаимодействие с внешней средой) - от бактерий (Joseph, 2010):



Эти данные невозможно объяснить без введения новой для нас сущности, которая называется горизонтальный перенос генов. То, что одновременно живущие и часто вовсе не родственные друг другу живые организмы постоянно обмениваются между собой генами "по горизонтали", сейчас является общепризнанным фактом. Перенос может происходить как в результате прямого захвата клеткой обрывков ДНК из внешней среды, так и более сложными способами - например, с помощью РНК-содержащих вирусов, которые приносят с собой копии некоторых чужеродных генов и встраивают их в геном хозяина посредством обратной транскрипции. У прокариот горизонтальный перенос генов распространен настолько, что любое эволюционное древо, построенное по последовательностям большого набора прокариотных генов, будет на самом деле представлять собой не древо, а сеть. То, что предков эукариот это тоже коснулось, само по себе неудивительно. Но интенсивность горизонтального переноса генов там, где жил предок эукариот, должна была быть очень высокой. Вероятно, это было какое-то сложное многовидовое сообщество, в котором нахвататься соседской ДНК было легче, чем не нахвататься.
Второе соображение вот какое. При взгляде на эволюционное древо невольно складывается впечатление, что эволюционная история митохондрий и пластид принципиально различна. Пластиды достаточно легко приобретаются путем обычного фагоцитоза - этому есть много свидетельств. В отношении митохондрий таких свидетельств нет. Пластиды достоверно приобретались разными эукариотами много раз. Митохондрии - только один раз, общим предком всех современных эукариот. Мы даже представить не можем, как должен выглядеть эукариот, никогда не имевший митохондрий. А были ли такие вообще? Собранные факты упорно наводят на мысль, что митохондрии - древнейший признак эукариот как таковых, причем приобретенный каким-то особым способом, отличающимся от обычного фагоцитоза. Недаром во всей дальнейшей эволюции мы больше не видим ничего подобного.
И тут возникает парадоксальная гипотеза. По мнению Евгения Викторовича Кунина (Eugene Koonin), “эукариогенез был инициирован эндосимбиозом, а система внутренних мембран, включающая ядро, развилась как защита против инвазий бактериальной ДНК” (Кунин, 2014). Иначе говоря, появление митохондрий могло быть не следствием, а причиной превращения археи в эукариота.



Сценарий получается примерно такой (Yutin et al., 2009). Предком эукариот была архея, лишенная клеточной стенки, зато имевшая зачатки актинового цитоскелета. Это позволило архейной клетке стать достаточно крупной и приобрести сложную форму. В складках ее наружной мембраны стали поселяться разнообразные бактерии, которые паразитировали на ней или просто находили удобное убежище. Близость этих бактерий создала поток чужеродных генов, от которого архее надо было защищаться, чтобы ее собственный геном не разладился. Именно защищаясь от чрезмерного проникновения генетического материала бактерий-паразитов, архея выработала сложную систему внутренних мембран, усовершенствовала внутриклеточный транспорт и цитоскелет. В конце концов паразитизм превратился в симбиоз. А один из симбионтов оказался настолько полезным, что архея навсегда замкнула его внутри собственной клетки - так появились митохондрии. Что касается фагоцитоза, то он стал полезным побочным эффектом от усложнения актинового цитоскелета и появления системы рециклизации мембран, которую архейной клетке волей-неволей пришлось освоить, пока она создавала эндоплазматическую сеть и ядро. Вот тут-то и появился суперхищник.
"Кунинский сценарий" имеет несколько красивых подтверждений. Например, известны современные морские археи с гигантскими клетками сложной формы, которые действительно покрыты снаружи симбиотическими бактериями. Причем эти симбионты - не кто-нибудь, а протеобактерии, представители той самой группы, из которой вышли митохондрии (Muller et al., 2010). Кроме того, сравнительный анализ белковых последовательностей показывает, что актиновый цитоскелет сначала был неподвижным - белки, позволяющие микрофиламентам сокращаться, появились позже. А значит, начаться прямо с фагоцитоза эволюция эукариот не могла.



Развитие “кунинского сценария” - еще более парадоксальная гипотеза, согласно которой основная часть архейной клетки соответствует ядру, а цитоплазма произошла от ее слившихся выростов, которые служили для обмена веществом с наружными симбионтами - предками митохондрий (Baum, Baum, 2014). Эта гипотеза сразу делает понятным, почему от архей у эукариот остались в основном белки, связанные с генетическими процессами: да потому что остаток архейной клетки - это ядро! По новой гипотезе оказывается, что эндоплазматическая сеть - это участок внешнего пространства, охваченный сомкнувшимися клеточными выростами. Тогда получается, что внутри эндоплазматической сети могут найтись остатки архейной клеточной стенки - и действительно, там обнаружены белки, которые таковыми вполне можно считать. Ну а происхождение митохондрий тут выглядит совсем не связанным с фагоцитозом. Пластиды - другое дело, но они и приобретены были позже. Впрочем, в любом случае надо иметь в виду, что если само симбиотическое происхождение митохондрий - факт, то все остальное - гипотезы, которые пока проверяются (Никитин, 2014).

Введение в биологию (Xd)

Тема Xd
ЭУКАРИОТЫ (продолжение)


Отличия в устройстве генетического аппарата между прокариотами и эукариотами огромны. Тут мы не будем и пытаться сделать их полный обзор, а просто выделим два-три занимательных момента.
Прежде всего, отличаются способы "упаковки" генов в геном. Молекулу ДНК, несущую весь геном либо его значительную часть и связанную в той или иной степени со специальными белками, принято называть хромосомой. У прокариот хромосома чаще всего одна, у эукариот - практически всегда несколько, и они линейные, а не замкнутые в кольцо.
Наличие ядра полностью разобщает в пространстве процессы транскрипции и трансляции. У прокариот вполне возможна ситуация, когда на информационную РНК, синтез которой еще не закончен, сразу садится рибосома и начинает трансляцию. У эукариот такое исключено. Транскрипция идет только в ядре, трансляция - только в цитоплазме. Даже те белки, которые используются исключительно внутри ядра (например, гистоны), синтезируются в цитоплазме и потом переправляются в ядро через ядерные поры.
Между окончанием транскрипции и началом трансляции информационная РНК эукариот проходит через достаточно сложное созревание (процессинг), в ходе которого она химически модифицируется. Самая важная из этих модификаций называется кэпированием и относится к 5'-концу РНК. "Нормальная" - то есть прокариотная - иРНК оканчивается на 5'-конце нуклеозидтрифосфатом: это естественно, поскольку именно нуклеозидтрифосфаты служат теми мономерами, из которых РНК собирается. У эукариот к этому концевому нуклеозидтрифосфату присоединяется гуаниновый нуклеозид, в котором гуанин помечен дополнительной метильной группой. Причем присоединяется он через очень экзотическую, не используемую больше нигде 5'-5'-трифосфатную связь, то есть, попросту говоря, "задом наперед":

Вот этот пришитый задом наперед нуклеозид и называется кэпом. Его функция исключительно сигнальная - без кэпа, например, эукариотная рибосома не может узнать иРНК и начать трансляцию. Ни у каких прокариот нет ничего подобного, и зачем это понадобилось эукариотам - никогда толком не было понятно.
В начале XXI века австралийский биолог Филип Белл (Philip Bell) предложил вирусную теорию происхождения ядра. Дело в том, что некоторые ДНК-содержащие вирусы (например, вирус оспы) имеют оболочку из двух билипидных мембран, линейную ДНК и - что самое интересное - аппарат транскрипции, включающий обязательное кэпирование иРНК, которое происходит точно по тому же механизму, что у эукариот. Все это вполне могло достаться эукариотной клетке в наследство от крупного вируса, который вселился в нее, превратился из паразита в постоянную клеточную органеллу и постепенно включил в себя почти весь хозяйский геном. Если Белл прав, то простейшая эукариотная клетка является результатом слияния даже не двух, а трех совершенно разных организмов: археи, протеобактерии и ДНК-содержащего вируса.
Правда, популярность этой теории, взлетевшая было лет пять назад, сейчас уменьшается. То, что в ядерном аппарате эукариот есть кое-какие белки вирусного происхождения - установленный факт, но вот вирусное происхождение всего ядра - это совсем иное дело.



Независимо от того, какая теория происхождения ядра правильна, мы можем точно сказать, что эукариотная клетка - это химерная структура, “собранная” из составных частей нескольких неродственных организмов. Если бы обитатели Земли два-три миллиарда лет назад могли мыслить, эукариотная клетка, скорее всего, была бы для них таким же нелепым и невероятным созданием, как для нас - самое фантастическое чудовище из любой земной мифологии. А с другой стороны, как раз на примере эукариот мы прекрасно видим, что ветви эволюционного древа могут не только расходиться, но и сливаться.

Введение в биологию (Xe)

Тема Xe
ЭУКАРИОТЫ (продолжение)


Наличие у эукариот цитоскелета и - в некоторых группах - полная потеря клеточной стенки очень облегчают всевозможные межклеточные взаимодействия. Поэтому эукариоты, в отличие от прокариот, относительно легко становятся многоклеточными.
Есть многоклеточные эукариоты, которые питаются путем фотосинтеза, то есть синтезируя глюкозу из воды и углекислоты с использованием энергии солнечного света. Их называют растениями. Жизненная форма растений возникала в эволюции эукариот несколько раз независимо; примерами тому служат зеленые наземные растения, красные, бурые, золотистые и другие водоросли.
Есть многоклеточные эукариоты, которые питаются, выделяя во внешнюю среду ферменты, расщепляющие крупные молекулы до мелких, и всасывая эти мелкие молекулы сквозь клеточную мембрану. Такое питание называется осмотрофным. Оно требует огромной относительной поверхности тела, поэтому многоклеточность у таких эукариот весьма условная; как правило, их организм на большинстве стадий жизненного цикла представляет собой комплекс очень длинных нитей толщиной в одну клетку. Это - жизненная форма гриба. Она возникала у эукариот как минимум дважды независимо (настоящие грибы и ложные грибы, или оомицеты).
И наконец, есть эукариоты, которые умудрились совместить многоклеточность с питанием путем фагоцитоза. Это - жизненная форма животного, которая возникла за всю историю Земли (насколько мы знаем) только один раз, в единственной эволюционной ветви.



Разнообразие межклеточных контактов у животных максимально - на этой картинке показано несколько примеров. Плотные контакты обеспечивает барьер, избирательно пропускающий разные вещества с одной стороны слоя клеток на другую. Десмосома - разновидность контакта, служащая для прочного механического сцепления клеток. А через щелевой контакт клетки могут обмениваться молекулами, плывущими прямо по цитоплазме. Все типы межклеточных контактов животных обязательно связаны с цитоскелетом, который обеспечивает их устойчивое положение в теле клетки. Есть гораздо более сложные межклеточные контакты - например, синапсы, через которые нервные клетки передают друг другу сигналы; но и они построены на той же элементной основе.



Клеточные слизевики - родственники обыкновенной амебы - проводят большую часть жизни в одноклеточном состоянии, в виде множества совершенно самостоятельных амеб. Но в определенный момент жизненного цикла эти амебы сползаются вместе и образуют плодовое тело, причем сигналом для объединения служит выделение знакомого нам вещества - циклического аденозинмонофосфата, цАМФ. Это аналог простейшей социальной системы. Именно усложнение социальных систем (то есть многоуровневых объединений) оказалось центральной линией эволюции эукариот - вплоть до человека разумного и дальше.