Раскрыта хронология ранней эволюции эукариот
Анализ дупликаций тысяч генов позволил исследователям реконструировать эволюционные события, приведшие к появлению эукариотических клеток — предшественников практически всей жизни, видимой невооруженным глазом. Эволюционный путь от простых бактериальных клеток к сложным эукариотическим протекал иначе, чем считалось ранее. Исследование, проведенное совместно лабораторией сравнительной геномики IRB Barcelona и Утрехтским университетом, опубликовано в Nature Ecology & Evolution.
Одним из важнейших и загадочных событий в эволюции жизни стало происхождение первых сложных эукариотических клеток. Практически все формы жизни, которые мы можем воспринимать невооруженным глазом (водоросли, растения, животные, грибы), состоят из сложных клеток — «эукариот». Совместное исследование групп Тони Габальдона (ICREA, Институт биомедицинских исследований (IRB Barcelona) и Барселонский суперкомпьютерный центр (BSC-CNS)) и Беренда Снела (Утрехтский университет) пришло к выводу, что первая клетка, включившая в себя митохондрию (считающийся ключевым шагом к увеличению сложности эукариотических клеток), уже обладала эукариотоподобной сложностью структуры и функций. Этот сценарий служит мостом между признаками сложности, наблюдаемыми в некоторых геномах архей, и предполагаемой ролью митохондрий в запуске эукариогенеза.
«Приобретение митохондрий считалось либо решающим первым, либо последним шагом в развитии сложности эукариотической клетки, — объясняет Габальдон. — Наши выводы показывают, что это действительно было ключевое событие, но оно произошло в сценарии, где клеточная сложность уже возросла».
Сложность как прелюдия к разнообразию жизни
Примерно первую половину истории жизни на Земле единственными формами жизни были относительно простые клетки бактерий. «Эукариотические клетки крупнее, содержат больше ДНК и состоят из компартментов, каждый со своей задачей, — объясняет первый автор Жюльен Фоссеберг. — В этом смысле бактериальные клетки можно сравнить с палаткой, а эукариотические — с домом с несколькими комнатами».
Как и когда организмы обменяли палатку на дом, остается загадкой, поскольку промежуточных форм нет. Важным моментом в эволюции стало происхождение митохондрий — компонента эукариотических клеток, функционирующего как их «электростанции». Митохондрии когда-то были свободноживущими бактериями, но в ходе эволюции были поглощены предками современных эукариотических клеток. Поскольку увеличение клеточной сложности, вероятно, было вызвано дупликацией генов, исследователи попытались реконструировать эволюционные события на основе этих генетических изменений.
Биоинформатика для реконструкции эволюционного пути
«Мы можем использовать ДНК современных видов для реконструкции эволюционных событий. Наши гены формировались на протяжении эонов эволюции. За это время они сильно изменились, но в них все еще хранятся отголоски далекого прошлого», — добавляет Фоссеберг. — У нас есть огромное количество генетического материала от различных организмов, и мы можем использовать компьютеры для реконструкции эволюции тысяч генов, включая древние дупликации генов. Эти реконструкции позволили нам раскрыть время важных промежуточных этапов».
Совместный автор-корреспондент Беренд Снел из Утрехтского университета говорит: «У ученых не было хронологии этих событий. Но теперь нам удалось восстановить ее приблизительную схему». Для этого исследователи адаптировали существующий метод, разработанный в лаборатории Габальдона, чтобы создать новый протокол, который привел к новым выводам.
Эти выводы указывают, что много сложной клеточной машинерии эволюционировало еще до симбиоза с митохондриями, включая развитие внутриклеточного транспорта и цитоскелета. «Симбиоз не был событием, которое послужило катализатором всего остального. Мы наблюдали пик дупликаций генов гораздо раньше, что указывает на то, что клеточная сложность уже возросла до этого момента», — говорит Снел.
«Наше исследование предполагает, что клетка-хозяин, приобретшая митохондриального эндосимбионта, уже развила некоторую сложность в виде динамического цитоскелета и мембранного трафика, — говорит Габальдон. — Это могло способствовать установлению симбиотических ассоциаций с другими микроорганизмами, включая предка митохондрий, который в конечном итоге был интегрирован».