Программируемая клеточная смерть может быть древностью в 1,8 миллиарда лет

Апоптоз, или программируемая клеточная смерть, — фундаментальный процесс для роста и развития многоклеточных организмов. Его примитивная форма наблюдается и у одноклеточных эукариот, таких как дрожжи и другие микроэукариоты (протисты).

Происхождение эукариотического апоптоза остаётся открытым вопросом. Однако многие апоптоз-инициирующие факторы имеют бактериальное или митохондриальное происхождение.

В новом исследовании, опубликованном в Genome Biology and Evolution, учёные из Института биохимии и биофизики Польской академии наук показали, что многие апоптотические факторы могут восходить ко времени одомашнивания митохондрий, что говорит об их удивительной консервативности на протяжении 1,8 миллиарда лет.

Процессы, запускающие апоптоз, демонстрируют сходство у разных эукариот: повышение проницаемости митохондриальной мембраны запускает каскад событий с участием белков — факторов, индуцирующих апоптоз (AIFs), что в итоге приводит к гибели клетки. Согласно филогенетическим анализам, эти AIFs обычно имеют бактериальное/митохондриальное происхождение.

Чтобы пролить свет на эволюцию апоптоза, команда под руководством Шимона Качановского и Уршули Зеленкевич исследовала функциональную консервативность апоптотических факторов с помощью теста комплементации в дрожжах. Исследователи заменили четыре апоптотических гена в дрожжах на родственные белки из различных эукариот и прокариот, а затем обработали новые штаммы агентами, индуцирующими апоптоз.

Удивительно, но дистанционно родственные белки из растений, животных, слизевиков и бактерий в значительной степени могли функционально заменить оригинальные дрожжевые белки. «Это удивительное открытие предполагает, что древние механизмы клеточной смерти эволюционно консервативны с момента одомашнивания митохондрий», — говорят Качановский и Зеленкевич. Это событие произошло примерно 1,8 миллиарда лет назад.

Результаты исследования также поддерживают эндосимбиотическую гипотезу происхождения апоптоза, впервые предложенную Гвидо Кроемером в 1997 году. Согласно ей, бактериальные предшественники митохондрий производили как токсины (апоптотические факторы), так и антитоксины (антиапоптотические факторы). Антитоксины действовали как «молекулы зависимости», обеспечивая сохранность симбионта. В ходе эволюционного конфликта между эндосимбионтами и хозяевами токсины эволюционировали в современные апоптотические факторы.

Качановский и Зеленкевич предлагают альтернативный сценарий: ранние протоэукариоты были хищниками, питавшимися бактериями. В ответ на хищничество бактерии производили токсины для защиты. Со временем эти бактерии были одомашнены и стали митохондриями, а их токсины превратились в апоптотические факторы.

Разные семейства современных AIFs и их спорадическое распределение среди далёких эукариот указывают на существование множества избыточных токсинов в протомитохондриях и на коэволюционную гонку вооружений между протомитохондриями и их протоэукариотическими хозяевами.

Независимо от того, возник ли апоптоз из эндосимбиотической системы токсин/антитоксин или из динамики хищник/жертва, результаты исследования показывают, что сложный баланс между жизнью и смертью в эукариотических клетках глубоко укоренён в происхождении митохондрий.

«Будущие исследования могут раскрыть эволюционную историю других механизмов старения и внести значительный вклад в геронтологию», — отмечают Качановский и Зеленкевич, подчёркивая широкие перспективы своей работы.