Учёные нашли редкие эволюционные промежуточные формы, чтобы понять происхождение эукариот

Новое исследование учёных из Йельского университета даёт ключевое представление о важнейшем событии в ранней эволюции жизни на Земле — происхождении клеточного ядра и сложных клеток, называемых эукариотами.

В то время как простые прокариотические бактерии сформировались в первый миллиард лет существования Земли, происхождение эукариот — первых клеток с ядрами — заняло гораздо больше времени. Примерно 1,7–2,7 миллиарда лет назад древний прокариот обзавёлся компартментом — ядром, предназначенным для лучшей защиты генетического материала от окружающей среды (например, от вредного УФ-излучения). В результате этого древнего события относительно простые организмы, такие как бактерии, превратились в более сложные, которые в конечном итоге дали начало всем современным животным, растениям и грибам.

Подробности этого ключевого события долгие годы оставались неуловимыми, поскольку до сих пор не было найдено ни одной переходной ископаемой формы.

Теперь в исследовании под руководством доктора Сергея Мельникова из лаборатории Дитера Сёлла на кафедре молекулярной биофизики и биохимии Йельского университета эти недостающие «ископаемые» наконец найдены. Для этого учёные заглянули не в землю или камни, а глубоко внутрь современных живых клеток, известных как Археи — организмов, которые, как считается, наиболее близко напоминают древние промежуточные формы между бактериями и более сложными клетками, которые мы теперь знаем как эукариотические.

Эти переходные формы совсем не похожи на традиционные окаменелости, такие как кости динозавров в земле или насекомые в янтаре. Это рибосомные белки, которые примерно в 100 миллионов раз меньше нашего тела. Мельников и его коллеги обнаружили, что рибосомные белки можно использовать как живые «молекулярные окаменелости», чьё древнее происхождение и структура могут содержать ключ к пониманию происхождения клеточного ядра.

«Простые формы жизни, такие как бактерии, аналогичны студии: у них одно внутреннее пространство, не разделённое на отдельные комнаты или компартменты. В то же время более сложные организмы, такие как грибы, животные и растения, состоят из клеток, разделённых на множество компартментов», — объяснил Мельников. — «Эти микроскопические компартменты соединены друг с другом через "двери" и "ворота". Чтобы пройти через них, молекулы, населяющие живые клетки, должны иметь специальные "пропуска", некоторые из которых называются сигналами ядерной локализации (NLS)».

Стремясь лучше понять, когда NLS-мотивы могли появиться в рибосомных белках, команда из Йеля оценила их консервативность среди рибосомных белков из трёх доменов жизни.

На сегодняшний день NLS-мотивы охарактеризованы в десяти рибосомных белках у нескольких эукариотических видов. Они сравнили все NLS-мотивы, обнаруженные в эукариотических рибосомных белках (из 482 видов), и попытались найти совпадения у бактерий (2 951 вид) и Архей (402 вида).

Неожиданно они обнаружили, что четыре белка — uL3, uL15, uL18 и uS12 — имеют NLS-подобные мотивы не только у эукариот, но и у Архей. «Вопреки нашим ожиданиям, мы обнаружили, что NLS-подобные мотивы консервативны во всех ветвях архей, включая самую древнюю суперфилум DPANN», — сказал Мельников.

Но поскольку у Архей нет ядер, возник логичный вопрос: зачем им эти «пропуска»? И какова была первоначальная биологическая функция этих «пропусков» в некомпартментализированных клетках?

«Если провести аналогию с макроскопическим миром, наше открытие похоже на открытие птицеподобных динозавров, таких как Caudipteryx zoui, сделанное в прошлом веке», — сказал Мельников. — «Эти древние нелетающие птицы показали, что динозаврам потребовались миллионы лет, чтобы развить крылья. Однако поразительно, что в течение первых нескольких миллионов лет их крылья были недостаточно хороши для полёта».

Аналогичным образом, исследование Мельникова и его коллег предполагает, что хотя NLS изначально, возможно, и не возникли для того, чтобы позволить клеточным молекулам проходить через микроскопические «двери» и «ворота» между клеточными компартментами, они могли возникнуть для выполнения сходной биологической функции — помочь молекулам находить своих правильных биологических партнёров.

Как объясняет Мельников: «Наш анализ показывает, что в сложных клетках те самые "пропуска", которые позволяют белкам проходить через микроскопические "ворота", также используются для распознавания биологических партнёров этих белков. Другими словами, в сложных клетках "пропуска" выполняют две концептуально сходные биологические функции. Однако у Архей эти "пропуска" играют лишь одну из этих функций — они помогают белкам распознавать своих биологических партнёров и отличать их от тысяч других молекул, плавающих в клетке».

Но что изначально привело к эволюции этих «пропусков» среди клеточных белков?

«Когда жизнь впервые появилась на нашей планете, самые ранние формы жизни, вероятно, состояли из очень ограниченного числа молекул. Следовательно, этим молекулам было относительно легко найти одного конкретного партнёра среди всех других молекул в живой клетке», — объясняет Мельников. — «Однако по мере того, как клетки увеличивались в размерах и усложнялись, возможно, и даже вероятно, что старые правила специфических взаимодействий между клеточными молекулами пришлось переопределить. Именно так "пропуска" были введены в структуру клеточных белков — чтобы помочь этим белкам легче идентифицировать своих молекулярных партнёров в сложной среде сложной клетки. Возвращаясь к аналогии с птицеподобными динозаврами, наше исследование иллюстрирует поразительное сходство между тем, как эволюция происходит в макроскопическом мире, и тем, как она происходит в мире, которого Дарвин никогда не видел, — в микроскопическом мире невидимых молекул, населяющих живые клетки».