Ученые пересматривают происхождение клеточной "электростанции"

В новом исследовании, опубликованном в Nature, международная группа ученых под руководством Уппсальского университета (Швеция) предлагает новую эволюционную версию происхождения митохондрий — так называемых "электростанций клетки". Митохондрии — это органеллы, преобразующие энергию, сыгравшие ключевую роль в возникновении сложной клеточной жизни на Земле.

Митохондрии — важнейшие органеллы, известные прежде всего реакциями преобразования энергии, которые питают клетки. Они являются отличительной чертой эукариотических клеток, к которым относятся все сложные формы жизни: животные, растения, грибы и т.д. Тот факт, что все эукариотические клетки имеют (или имели) митохондрии, указывает на ключевую роль происхождения этих органелл в эволюционном возникновении сложных клеток.

Данные последних десятилетий убедительно свидетельствуют, что митохондрии эволюционировали путем эндосимбиоза — процесса, при котором свободноживущая бактерия была поглощена клеткой-хозяином. Однако идентичность предка митохондрий, а также природа этого симбиоза остаются предметом жарких споров.

"Предыдущие работы предоставили убедительные доказательства, что митохондрии связаны с группой бактерий, известной как Alphaproteobacteria", — говорит Йоран Мартин, постдок Уппсальского университета и первый автор исследования. "Из какой именно линии альфа-протеобактерий произошли митохондрии, до сих пор неясно — разные исследования указывали на радикально разные группы. Для понимания происхождения митохондрий, а также эукариот, знание идентичности предка митохондрий имеет решающее значение".

Некоторые ученые предполагали, что митохондрии произошли от Rickettsiales — паразитической группы бактерий, которые, подобно митохондриям, живут внутри эукариотических клеток и полностью зависят от клетки-хозяина. Их самый известный представитель, Rickettsia prowazekii, является печально известным патогеном человека, вызывающим сыпной тиф.

"Мы считаем, что отсутствие консенсуса об идентичности предка митохондрий имеет две основные причины", — говорит Тейс Эттема, руководитель исследования. "Во-первых, возможно, что современные родственники просто еще не найдены — если они вообще еще существуют. Во-вторых, реконструкция эволюционной истории митохондрий чрезвычайно сложна и может легко привести к очень разным и, следовательно, противоречивым результатам".

Команда из Уппсалы попыталась преодолеть этот тупик, используя смелый подход. Проанализировав большие объемы данных экологического секвенирования из Тихого и Атлантического океанов, им удалось выявить несколько ранее неизвестных групп альфа-протеобактерий. Используя новые методы, команда затем реконструировала геномы более чем 40 альфа-протеобактерий, принадлежащих к 12 различным группам.

"Расширенный набор геномов этих вновь идентифицированных альфа-протеобактерий существенно помог нашим усилиям определить положение митохондрий", — говорит Мартин. "Мы надеялись, что, используя более сбалансированный набор альфа-протеобактерий в наших анализах, сможем преодолеть некоторые проблемы, с которыми сталкивались предыдущие исследования".

Неожиданно их анализ поддержал новое положение митохондрий — теперь они оказались вне группы Alphaproteobacteria.

Эти результаты указывают, что митохондрии не являются ближайшими родственниками ни одной из ныне признанных групп альфа-протеобактерий, включая Rickettsiales. Скорее, митохондрии эволюционировали от предка, который позже дал начало всем современным Alphaproteobacteria.

"Мы подозреваем, что популярная гипотеза о происхождении митохондрий от Rickettsiales является результатом методологического артефакта", — объясняет Мартин. "Митохондрии и Rickettsiales эволюционировали в очень похожих условиях, что могло привести к очень схожим, но независимым путям эволюции и паттернам последовательностей. Это, в свою очередь, могло осложнить предыдущие попытки определить эволюционное происхождение митохондрий".

Исследование не смогло идентифицировать каких-либо современных родственников предка митохондрий.

"Это, конечно, было несколько разочаровывающим", — говорит Эттема. "Но, возможно, мы искали не в том месте. В этом исследовании мы сосредоточились на океанических водах, поскольку известно, что они содержат множество неохарактеризованных альфа-протеобактерий".

Эттема и его команда продолжат поиски родственников митохондрий. "Раскрытие происхождения митохондрий — ключ к пониманию происхождения сложной жизни. Если современные родственники митохондрий все еще существуют, я убежден, что мы найдем их в какой-то момент".