Происхождение жизни: как особая группа одноклеточных архей заложила основу для сложных клеток
Десять лет назад о существовании архей Asgard не было известно. В 2015 году исследователи, изучая глубоководные отложения, обнаружили фрагменты генов, указывающие на новую, ранее неизвестную форму микробов.
С помощью компьютера учёные собрали эти фрагменты, как пазл, восстановив полный геном. Только тогда стало ясно, что они имеют дело с ранее неизвестной группой архей.
Как и бактерии, археи — одноклеточные организмы. Однако генетически между двумя доменами есть значительные различия, особенно в строении клеточных оболочек и метаболических процессах.
После дальнейших поисков микробиологи идентифицировали соответствующие организмы, описали их и классифицировали как отдельную подгруппу архей: Asgard archaea. Их название, взятое из небесной обители в скандинавской мифологии, отсылает к месту их первоначального обнаружения — недалеко от «Замка Локи», чёрного курильщика на Срединно-Атлантическом хребте между Норвегией и Шпицбергеном.
Археи Asgard оказались недостающим звеном между археями и эукариотами — организмами, чьи клетки содержат ядро, такими как растения и животные.
Древо жизни с одной ветвью меньше
В последние годы исследователи находят всё больше свидетельств тесной связи между археями Asgard и эукариотами, и того, что последние могли эволюционировать из первых. Разделение всех живых организмов на три домена — бактерии, археи и эукариоты — не выдержало этой неожиданной находки.
Некоторые учёные теперь предлагают рассматривать эукариот как группу внутри архей Asgard. Это сократило бы количество доменов жизни с трёх до двух: археи (включая эукариот) и бактерии.
Исследователи из ETH Zurich под руководством профессора Мартина Пильхофера несколько лет изучают загадочных микробов Asgard.
В статье, опубликованной в Nature два года назад, они изучили детали клеточной структуры и архитектуры Lokiarchaeum ossiferum. Этот представитель Asgard был выделен из осадков солоноватого водного канала в Словении в лаборатории Кристы Шлепер в Венском университете.
В том исследовании Пильхофер и его постдоки Цзинвэй Сюй и Флориан Волльвебер показали, что Lokiarchaeum ossiferum обладает определёнными структурами, типичными и для эукариот. «Мы обнаружили в этом виде актиновый белок, который очень похож на белок, встречающийся у эукариот, — и присутствует почти у всех обнаруженных на сегодня архей Asgard», — говорит Пильхофер.
Используя различные методы микроскопии, учёные продемонстрировали, что этот белок — Lokiactin — образует нитевидные структуры, особенно в многочисленных щупальцевидных выростах микробов. «Похоже, они формируют скелет для сложной клеточной архитектуры архей Asgard», — добавляет Флориан Волльвебер.
Помимо актиновых филаментов, эукариоты также обладают микротрубочками. Эти трубчатые структуры — второй ключевой компонент цитоскелета, состоящий из множества белков тубулина. Эти крошечные трубки важны для транспортных процессов внутри клетки и разделения хромосом во время деления.
Происхождение этих микротрубочек оставалось неясным — до сих пор. В новой статье в журнале Cell исследователи ETH обнаружили родственные структуры у архей Asgard и описали их строение. Эти эксперименты показывают, что Asgard-тубулины образуют очень похожие микротрубочки, хотя и меньшего размера, чем у их эукариотических родственников.
Однако лишь немногие клетки Lokiarchaeum образуют эти микротрубочки. И, в отличие от актина, эти белки тубулина встречаются только у очень немногих видов архей Asgard.
Учёные пока не понимают, почему тубулины так редко встречаются у Lokiarchaea и зачем они нужны клеткам. У эукариот микротрубочки отвечают за транспортные процессы внутри клетки. В некоторых случаях моторные белки «ходят» по этим трубкам. Исследователи ETH пока не наблюдали таких моторных белков у архей Asgard.
«Однако мы показали, что трубки, образованные из этих тубулинов, растут с одного конца. Поэтому мы предполагаем, что они выполняют аналогичные транспортные функции, что и микротрубочки у эукариот», — говорит Цзинвэй Сюй, соавтор исследования в Cell. Он получил тубулины в культуре клеток насекомых и изучил их структуру.
В исследовании тесно сотрудничали специалисты в области микробиологии, биохимии, клеточной и структурной биологии. «Мы никогда не продвинулись бы так далеко без этого междисциплинарного подхода», — подчёркивает Пильхофер.
Был ли цитоскелет необходим для развития сложной жизни? Хотя некоторые вопросы остаются без ответа, исследователи уверены, что цитоскелет стал важным шагом в эволюции эукариот.
Этот шаг мог произойти эоны назад, когда архея Asgard опутала бактерию своими выростами. В ходе эволюции эта бактерия превратилась в митохондрию — энергетическую станцию современных клеток. Со временем сформировались ядро и другие компартменты — и родилась эукариотическая клетка.
«Этот замечательный цитоскелет, вероятно, стоял у истоков этого развития. Он мог позволить археям Asgard формировать выросты, тем самым давая им возможность взаимодействовать с бактерией, а затем захватить и поглотить её», — говорит Пильхофер.
«Ловля» архей Asgard
Пильхофер и его коллеги теперь планируют сосредоточиться на функции актиновых филаментов и архейного тубулина вместе с образующимися микротрубочками.
Они также намерены идентифицировать белки, обнаруженные на поверхности этих микробов. Пильхофер надеется, что его команда сможет разработать антитела, точно настроенные на эти белки. Это позволило бы исследователям целенаправленно «вылавливать» архей Asgard в смешанных культурах микробов.
«У нас ещё много неотвеченных вопросов об археях Asgard, особенно об их отношении к эукариотам и их необычной клеточной биологии, — говорит Пильхофер. — Выслеживать секреты этих микробов невероятно увлекательно».