Исследование подтверждает дальнее родство архей и бактерий в древе жизни

Учёные получили новые доказательства в поддержку идеи о том, что два основных домена жизни, Археи и Бактерии, разделены длинной ветвью филогенетического дерева и, следовательно, являются дальними родственниками. Результаты опубликованы в журнале eLife.

Анализ, проведённый исследователями из Бристольского университета и их международными коллегами, вносит вклад в продолжающиеся дебаты о степени расхождения архей от бактерий и проливает свет на ограничения традиционных методов оценки эволюционного пути древних организмов.

Вместе с Бактериями и Эукариотами, Археи составляют три домена древа жизни. Изначально считалось, что археи — это тип бактерий, типичный своей способностью жить в экстремальных условиях. Однако использование молекулярных данных для реконструкции филогенетических деревьев и прогресс в генетическом секвенировании изменили наше понимание разнообразия этих организмов и их связи с Бактериями и Эукариотами.

В древе жизни длинная длина ветви между организмами соответствует большей степени генетических изменений. Исследователи, изучающие эволюционную историю Архей и Бактерий, оценивали длину ветви, изучая различия в основном наборе консервативных генов, кодирующих клеточные механизмы, участвующие в производстве белков и обработке генетической информации. Однако недавно учёные использовали расширенный набор генетических маркеров от Бактерий и Архей для оценки генетического расстояния между двумя доменами и предложили гораздо более короткую длину ветви — то есть, что домены более тесно связаны.

«Эта недавняя работа подняла два важных вопроса относительно оценок универсального древа жизни, — объяснил первый автор Эдмунд Муди, аспирант Бристольской школы биологических наук. — Во-первых, оценки генетического расстояния между Археями и Бактериями на основе классических "ядерных генов" могут не быть репрезентативными для древних геномов в целом. Во-вторых, может существовать гораздо больше подходящих генов для изучения ранней эволюционной истории, чем считалось ранее, что могло бы улучшить точность этих оценок».

Чтобы исследовать эти вопросы, Муди и коллеги изучили эволюционную историю расширенного набора из 381 генного маркера и заново оценили наборы генов-маркеров, использованные в предыдущих анализах. Они обнаружили несколько особенностей расширенного набора маркеров, таких как междоменные переносы генов и паралогичные гены — гены, возникшие в результате дупликации и кодирующие белки со сходными, но не идентичными функциями. «Наши данные показывают, что включение генов-маркеров с такими особенностями может искусственно сокращать ветвь, разделяющую архейный и бактериальный домены», — сказала соавтор Тара Махендрараджа, аспирант NIOZ (Нидерланды).

Традиционно используемые наборы генов-маркеров включают гены многих белков, составляющих рибосому — клеточный механизм для трансляции ДНК. Высказывалось предположение, что если белки рибосомы пережили период ускоренной эволюции, это могло привести к артефактно длинной ветви филогенетического дерева. Поэтому команда сравнила набор рибосомных и нерибосомных генов-маркеров для оценки длины ветви и обнаружила, что она схожа.

«Эти результаты не подтвердили гипотезу о том, что рибосомные белки эволюционировали быстрее, чем нерибосомные гены, и подтверждают, что рибосомные белки являются полезными маркерами для филогении, — сказала со-старший автор Анджа Шпанг, старший научный сотрудник NIOZ. — Однако анализы показали, что даже лучшие современные модели могут недооценивать как истинную длину ветви Археи-Бактерии, так и разнообразие Архей».

«Дискуссия вокруг этих вопросов действительно указывает на более общие ограничения текущих моделей: например, явно неудовлетворительно основывать наш взгляд на ранней эволюции или генетическом разнообразии на небольшом наборе генов, — добавил со-старший автор Том Уильямс, доцент молекулярной эволюции в Бристольской школе биологических наук. — Изучение эволюционного сигнала в большей части генома, чем мы могли ранее, — важная цель, к которой предыдущие исследования подходили по-разному. Наша работа предполагает, что новые методы, включая более реалистичные модели дупликации, переноса и потери генов, могут помочь разрешить некоторые разногласия, позволив оценивать эволюцию в масштабе всего генома с учётом различных эволюционных историй отдельных семейств генов».