Михаил Никитин - Происхождение жизни. От туманности до клетки
Меченые убиквитином белки обычно разрушаются в протеасомах – специальных белковых комплексах для выборочного уничтожения дефектных и ненужных белков. Функциональное ядро протеасомы состоит из 28 белковых молекул, собранных в четыре кольца из семи субъединиц; кроме того, в ее работе принимают участие дополнительные регуляторные субъединицы. Протеасомы были известны ранее у некоторых бактерий (Mycobacterium tuberculosum) и архей (Haloferax volcanii), но убиквитиновой системы у этих видов нет. Протеасомы есть и у Caldiarchaeum subterranum, они похожи на эукариотические также по наличию белка RPN11, который опознает убиквитиновые метки на белках (Nunoura et al., 2011).
Почти все, что мы знаем об устройстве и образе жизни бактерий и архей, ученые узнали, выращивая и изучая микробов в лаборатории. Те микробы, для которых не удалось подобрать условия выращивания, долго оставались неизвестными. В XXI веке появились методы метагеномики – анализа всей ДНК, содержащейся в природной пробе (вода, почва, ил). Метагеномика позволяет оценить разнообразие микробов в пробе без культивирования. Используя метагеномный способ, ученые быстро выяснили, что микробное разнообразие в природе огромно. Более 99 % видов микробов, которые есть в природе, никогда не вырастали в лаборатории, и до появления метагеномики об их существовании можно было только догадываться. Хуже того, половина крупных групп бактерий и архей не имеет ни одного культивируемого представителя и известна только по метагеномным данным. Ученые подозревали, что среди них скрываются и близкие родственники эукариот.
И вот в 2015 году такие археи, близкие к эукариотам, были найдены (Spang et al., 2015). Норвежская экспедиция, изучавшая геотермальное поле Замок Локи (Loki's castle) в Северной Атлантике, собрала пробы донных осадков, обильно заселенных бактериями и археями. Анализ ДНК в этих пробах показал, что в сообществе преобладает один вид архей, относящийся к некультивируемой группе архей DSAG (deep-sea Archaea group). На его долю приходилось более 10 % клеток, а значит, появилась возможность прочитать не только гены рибосомных РНК, по которым устанавливают родственные связи микробов, но и собрать весь его геном. Этот вид, который получил временное название Lokiarchaeum, оказался ближе к эукариотам, чем все известные ранее археи. Его геном имеет размер более 5 млн пар нуклеотидов и кодирует 5381 белок, поэтому является одним из самых сложных геномов архей. Среди этих белков есть пять актиноподобных белков, более похожих на актины и ARP эукариот, чем кренактины (рис. 18.7). Также Lokiarchaeum обладает большим набором сигнальных белков суперсемейства Ras – 92 разновидностями! Эти белки в клетках эукариот регулируют перестройки цитоскелета, транспорт пузырьков, передачу сигналов между мембраной, цитоплазмой и ядром, деление клеток и многие другие функции. Белки Ras человека очень хорошо изучены, потому что мутации в них часто приводят к неограниченному делению клеток и раку. Хотя отдельные Ras-подобные белки встречаются в разных группах бактерий и архей, только Lokiarchaeum имеет их большой набор. При этом часть его Ras-белков попадает в отдельные эукариотные подсемейства этого суперсемейства. Еще у Lokiarchaeum есть большой набор генов системы ESCRT-III; в отличие от Thaumarchaeota у него уже произошло выделение нескольких эукариотных подсемейств этих генов. Также у него появляются гены комплексов ESCRT-I и ESCRT-II, которые у эукариот взаимодействуют с ESCRT-III, собирая вместе и загружая в мембранные пузырьки меченные убиквитином белки, подлежащие разборке на аминокислоты.
По набору генов, связанных с цитоскелетом и управлением мембранами, похоже, что Lokiarchaeum и его общий с эукариотами предок могут иметь способность к фагоцитозу. К сожалению, Lokiarchaeum не растет в лаборатории, поэтому пока нет возможности проверить, есть ли у него фагоцитоз на самом деле. Зато в тех же пробах из Замка Локи есть в меньшем количестве ДНК других локиархеот, и одна из них, Loki3, еще ближе к эукариотам. Через пару лет и ее геном, скорее всего, будет прочитан.
Причины и механизмы появления эукариот
Мы видим, что эукариотическая клетка сочетает в себе черты архей и различных неродственных групп бактерий. От архей унаследованы центральные информационные системы клетки (синтез белков, копирование и ремонт ДНК), зачатки цитоскелета, зачатки систем управления мембранами и убиквитиновая система мечения белков. От бактерий произошли ферменты обмена сахаров, липидов и отчасти – стеролов, системы защиты от кислорода и всевозможные сигнальные и регуляторные белки. Очевидно, что приобретение митохондрий было далеко не первым шагом на пути происхождения эукариот: чтобы такой симбиоз стал технически возможен, скорее всего, был необходим уже работающий фагоцитоз. А чтобы он был полезен, надо сначала иметь ферменты гликолиза, защиту от кислорода, системы транспорта веществ и передачи сигналов между симбионтом и хозяином.
Как мог происходить процесс появления эукариот? Во-первых, симбиоз, многочисленные переносы генов от разных бактерий и большая роль сигнально-регуляторных генов означают, что процесс происходил в сложном микробном сообществе. Во-вторых, митохондрии и стерол, исходно присущие всем эукариотам, свидетельствуют о том, что эукариоты эволюционировали в кислородной среде. Кислород указывает нам, что сообщество, в котором появились эукариоты, скорее всего, было цианобактериальным матом, о котором уже рассказывалось в главе 16. В-третьих, архейное происхождение базовых генетических систем (синтез белков, копирование и ремонт ДНК) эукариот свидетельствует о том, что у истоков процесса стояли археи.
Проще всего предположить, что процесс возникновения эукариотной клетки стал ответом на появление кислородного фотосинтеза и отравление среды кислородом. В обмене веществ многих архей, метаногенов и метилотрофов[20] важную роль играют ферменты, содержащие никель. Они очень уязвимы для кислорода, а значит, архейный предок в условиях кислородного кризиса не мог больше жить по-старому и был вынужден радикально изменить обмен веществ.
В современных бактериальных сообществах есть примеры тесного взаимодействия и соседства архей с бактериями. Например, метаногенные археи, поглощающие водород, живут в симбиозе с уксуснокислыми бродильщиками, выделяющими водород. В районах просачивания метана из морского дна живут в тесном симбиозе окисляющие метан археи и восстанавливающие сульфат бактерии, и между ними происходит обмен электронами при помощи соединений железа (Sivan et al., 2014). Так что архейный предок эукариот тоже мог жить в тесном симбиозе с какими-то бактериями. По самой популярной версии, он был метаногеном и получал водород от симбионтов – уксуснокислых бродильщиков.
Появление кислородного фотосинтеза вызвало крупный экологический кризис. Многие обитатели цианобактериального мата вымерли, другим же удалось создать свои или приобрести горизонтальным переносом чужие системы защиты от кислорода. Этот процесс произошел не мгновенно, а распространялся с поверхности в глубокие слои мата. К моменту появления серьезных проблем у метаногенов их соседи сверху уже имели системы адаптации к кислороду. Многие микробы в состоянии стресса начинают активно поглощать ДНК из внешней среды – таким способом наша архея приобрела гены, необходимые для защиты от кислорода, и новый обмен веществ, скорее всего, молочнокислое брожение. Сквален-монооксигеназа, необходимая для синтеза стеролов, могла исходно служить для защиты от кислорода. Механизм проводимой ею реакции очень похож на поставленное под контроль перекисное окисление липидов, одну из форм кислородного повреждения клеток. Отсутствие клеточной стенки, актиновый цитоскелет для поддержания вытянутой и ветвистой формы клетки и стеролы позволили ей перейти к фагоцитозу и успешно конкурировать с соседями-бактериями. Мембрана высокой текучести, подходящая для фагоцитоза, плохо держит мембранный электрический потенциал. Но предок эукариот в это время получал энергию путем брожения и мало зависел от мембранных энергетических процессов.
Тем временем в верхних слоях мата пурпурные фотосинтезирующие бактерии отработали аэробное дыхание, после чего органические кислоты, выделяемые бродильщиками нижних слоев, превратились для них в ценный ресурс. Эти аэробы стали оптимальными партнерами для симбиоза с фагоцитирующими бродильщиками. Фагоцитирующий предок эукариот сначала поглощал их как добычу, затем стал откладывать их переваривание и сначала подращивать на своих продуктах брожения, а потом симбионты стали отдавать хозяину АТФ и были оставлены в живых окончательно. Эти события в чем-то похожи на переход древних людей от охоты к скотоводству.
