Модель предсказывает способность организмов к фагоцитозу
Исследователи из Американского музея естественной истории создали компьютерную модель, способную предсказывать, обладают ли организмы способностью «поедать» другие клетки с помощью процесса, известного как фагоцитоз. Модель может быть полезным инструментом для масштабных исследований микробов и даёт ценное представление об эволюции сложной жизни на Земле, бросая вызов идеям, выдвинутым в недавних исследованиях. Модель и выводы учёных представлены в статье, опубликованной в журнале Nature Ecology & Evolution.
Фагоцитоз — это основной механизм поглощения питательных веществ у многих одноклеточных организмов, а также жизненно важная часть иммунной защиты у ряда живых существ, включая человека. Однако менее известно, что фагоцитоз возник 2–3 миллиарда лет назад и сыграл роль в тех симбиотических ассоциациях, которые, вероятно, положили начало каскадной эволюции в сторону более разнообразной и сложной жизни.
Прокариоты (бактерии и археи) — это микроскопические, в основном одноклеточные организмы с относительно простой внутренней структурой. Эукариоты (животные, растения, грибы и протисты) имеют, как правило, более крупные клетки с ядром, где хранится ДНК, и энергогенерирующими органеллами — митохондриями. Согласно теории, 2–3 миллиарда лет назад одна бактерия слилась с неродственным прокариотическим микробом, что привело к эволюции митохондрий. Этот слияние произошло лишь однажды, и некоторые учёные предполагают, что процесс включал клеточное «поглощение». Однако сегодня не известно ни одного прокариота, способного к фагоцитозу. При каких же обстоятельствах возник этот признак?
Чтобы исследовать этот давний вопрос, команда использовала генетические паттерны, общие для фагоцитирующих клеток, чтобы построить вычислительную модель, которая с помощью машинного обучения предсказывает, питается ли организм посредством фагоцитоза.
Основа модели: Не существует единого набора генов, сильно предсказывающих фагоцитоз, так как это очень сложный процесс, который может включать более 1000 генов, и эти гены могут сильно различаться у разных видов. Однако при изучении геномов всё большего числа эукариот стал проявляться генетический паттерн, который существует во всём разнообразии, даже если он немного отличается в каждом виде. Этот паттерн является ядром модели и позволяет быстро и эффективно предсказывать, какие клетки, вероятно, являются «едоками», а какие — нет.
Практическое применение: Поскольку многие эукариоты (например, некоторые зелёные водоросли) могут быть «разборчивыми» — питаясь только при определённых условиях — бывает трудно определить, способны ли они к фагоцитозу, просто наблюдая за ними под микроскопом. Эта новая модель может помочь микробиологам быстро оценить эту способность. Она также может быть полезна в крупных проектах по секвенированию ДНК, включающих множество неизвестных видов микробов (например, при анализе проб морской воды).
Результаты для Asgard archaea: Исследователи применили модель к группе «эукариотоподобных» микробов, называемых Asgard археями. В последние годы некоторые исследователи предполагали, что микробы Asgard могут быть живыми родственниками давно разыскиваемых микробов, которые слились с бактерией, ставшей митохондриями. Однако новая работа показывает, что эти микробы, скорее всего, не используют фагоцитоз. Авторы также использовали набор генов, разработанный в процессе построения модели, чтобы более внимательно изучить древние линии архей и бактерий, и обнаружили, что в целом ни одна из групп сама по себе не имеет генов, необходимых для фагоцитоза. Хотя новая работа исключает один сценарий рождения митохондрий — что Asgard археи поглотили бактерию — остаётся много других вариантов.
Вывод: При анализе компонентов этих предсказательных генов некоторые имеют корни в археях, некоторые — в бактериях, а некоторые уникальны только для эукариотов. Эти данные согласуются с гипотезой о том, что наши клетки являются химерой архейных и бактериальных компонентов, и что процесс фагоцитоза возник только после того, как произошло это сочетание.