Михаил Никитин - Происхождение жизни. От туманности до клетки
Если мембрана ядра произошла путем вворачивания наружной мембраны клетки, то мы бы ожидали увидеть химические следы предковой клеточной стенки на внешней мембране. Если ядро произошло от симбионта, поселившегося внутри археи, то следы клеточной стенки хозяина тоже должны остаться на внешней мембране. Однако следы архейной клеточной стенки обнаруживаются ближе к ядру.
Архейные ферменты N-гликозилирования были унаследованы эукариотами и работают внутри эндоплазматического ретикулума, рядом с ядром, модифицируя различные белки. Инозитол-фосфатные липиды, биохимическое наследство архей, в эукариотических клетках производятся почему-то в ядре, хотя остальные функции ядра связаны с ДНК и генетикой. Митохондрии в клетках эукариот связаны с эндоплазматическим ретикулумом (ЭР), деление митохондрий происходит при помощи ЭР. Такая связь предсказывается только гипотезой слияния клеточных выростов, по которой митохондрии когда-то жили в просветах будущего ЭР, а потом прорвали его стенку и оказались в цитоплазме хозяина.
Гипотеза расширения мембраны дает ряд предсказаний, которые можно проверять. Например, она проясняет происхождение ресничек и жгутиков – тонких двигательных выростов эукариотной клетки. По этой гипотезе, жгутики произошли от тех выростов клетки, которые специализировались на движении. Как и другие выросты клетки, в месте прикрепления к телу клетки они укреплялись белковыми кольцами, которые в эукариотических клетках стали ядерными порами. Значит, в основании жгутиков могут оказаться те же белки, что и в ядерных порах. Также гипотеза расширения мембраны дает подробные предсказания о механизме сборки этих пор. Поскольку гипотеза расширения мембраны была опубликована только в 2014 году, проверка этих следствий только началась, и скоро происхождение ядра и ядерных оболочек может проясниться.
Роль вирусов в происхождении эукариот
Мы рассмотрели происхождение эукариот путем симбиоза между археей и бактерией в условиях перехода микробного сообщества к кислородной среде. Однако этот сценарий не объясняет многие особенности эукариотических клеток. Непонятно, как переход археи к фагоцитозу и обзаведение симбионтами могли способствовать появлению, например, полового размножения и мейоза. А если обратить внимание на более частные вопросы, то совершенно несуразной выглядит такая деталь эукариотической системы трансляции (считывания), как кэпы матричных РНК. Кэп – это остаток 7-метилгуанозина, пришитый к 5'-концу мРНК специальным 5' – 5'-трифосфатным мостиком (рис. 18.11). Он требуется для начала трансляции на эукариотической рибосоме – без него рибосома не может связаться с мРНК.
Для узнавания кэпа рибосомой есть специальный белок – фактор инициации eIF4E, не имеющий аналогов у прокариот. Важно, что из-за наличия кэпа и eIF4E эукариоты не могут иметь оперонов – групп генов, которые транскрибируются в одну длинную мРНК, кодирующую несколько белков последовательно, один за другим. Опероны позволяют бактериям и археям экономить на регуляции активности генов: достаточно одного регуляторного участка в начале оперона, чтобы одновременно управлять активностью всех его генов. (Обычно белки, которые кодируются генами одного оперона, функционально связаны, а значит, требуются в равных количествах.) Переход к кэпированным мРНК на заре эволюции эукариот потребовал бы массированной перестройки генома, распада всех оперонов и появления тысяч новых регуляторных участков для отдельных генов. Сложно представить себе причину, по которой это было бы выгодно для клетки, и еще сложнее найти причину, по которой система пришивания и узнавания кэпа вообще возникла.
Эти особенности эукариот находят объяснение, если допустить, что в их появлении участвовали помимо архейного и бактериального партнеров еще и вирусы. Вирусное происхождение отдельных компонентов эукариотической клетки не вызывает сомнения. Так, фермент теломераза, достраивающий защитные концевые структуры хромосомной ДНК (теломеры), происходит от обратной транскриптазы ретровирусов. Часть генетического аппарата митохондрий – ДНК-полимераза, РНК-полимераза и праймаза – унаследована от хвостатого бактериофага, похожего на современный фаг Т4 и встроенного в геном бактериального предка митохондрий. Однако есть и более радикальное мнение о роли вирусов в появлении эукариотической клетки – вирусная теория происхождения ядра.
Эту теорию в современном виде выдвинули вирусологи Филипп Джон Белл и Масахара Такемура (Bell, 2001; Takemura, 2001; Bell, 2009). Они утверждают, что ядро эукариотической клетки происходит от крупного ДНК-вируса, заразившего древнюю архею. Этот вирус мог перейти к умеренной эксплуатации хозяина: он не убивал его сразу (это явление называется лизисом), а сосуществовал, медленно размножая свою ДНК в его клетках (лизогения). Постепенно такой вирус мог взять клетку хозяина под полный контроль. Поначалу другие ученые практически не рассматривали эту теорию всерьез, но в последнее время она стала набирать популярность – так, к ее обсуждению подключился крупнейший французский вирусолог Патрик Фортерр.
Ключевую стадию пришивания кэпа проводит фермент гуанилил-трансфераза. Поскольку эукариотические рибосомы не связываются с мРНК без кэпа, вирусы эукариот для синтеза своих белков должны как-то решать эту проблему. Мелкие ДНК-вирусы, умеющие проникать в ядро сквозь ядерные поры, обычно используют гуанилил-трансферазу хозяина. РНК-вирусы создают на 5' концах своих мРНК сложные конструкции из шпилек (они называются IRES), которые имитируют форму белка eIF4E и позволяют РНК связаться с рибосомой без участия кэпа и eIF4E. Крупные ДНК-вирусы обычно имеют свою собственную гуанилилтрансферазу и производят матричные РНК с кэпами. В ходе эволюции эти ферменты могли передаваться между хозяевами и вирусами в обоих направлениях, но где они появились исходно?
Белл провел филогенетический анализ ферментов пришивания кэпа, который показывает, что ферменты эукариот образуют на дереве единую самостоятельную ветвь (рис. 18.12). Случай переноса фермента из клетки вирусу отразился бы на этом дереве вирусной веткой среди эукариот, но ничего такого мы не видим. А значит, следов переноса гуанилилтрансферазы от клеток вирусам нет.
Чтобы понять, какой из узлов дерева гуанилилтрансфераз самый древний и соответствует предковому ферменту, к ним добавлены родственные ферменты – АТФ-зависимые ДНК-лигазы. Это более древние белки, предковые по отношению к гуанилилтрансферазам. Соответственно, та часть дерева гуанилилтрансфераз, которая выходит из лигазной части дерева, укажет нам древнейшую гуанилилтрансферазу. Оказывается, она принадлежала вирусам: первая ветвь ее потомков содержит ферменты поксвирусов (вирус оспы и его родственники), вторая – ферменты вируса ASF (африканской чумы свиней – African swine fever) и третья – вируса хлореллы. Гуанилилтрансферазы эукариот происходят от фермента вирусной линии, давшей начало вирусам ASF и хлореллы. Это доказывает, что кэпирование мРНК, как и другие инновации в генетических системах, появилось сначала среди вирусов и лишь затем было заимствовано эукариотами.
Для вирусов, в отличие от клеток, есть очевидная выгода в создании такой системы. Это средство перехвата управления клеткой хозяина. Вирус вносит в клетку фермент, который разрушает клеточные матричные РНК без кэпа и не трогает вирусные мРНК с кэпом. Белок eIF4E тоже мог сначала появиться у вирусов как средство захвата рибосом хозяина. Он присоединяется к рибосомам, после чего они узнают только вирусные мРНК с кэпом, останавливая синтез белков клетки. Современные клеточные eIF4E обычно связаны с рибосомами. У мимивируса[21] обнаружен собственный белок-аналог eIF4E, роль его пока непонятна.
Такемура обратил внимание на систему репликации ДНК эукариот. По сравнению с машинами репликации бактерий и архей эукариотическая версия сложна и медлительна. Если у бактерий и архей скорость репликации составляет около 1000 нуклеотидов в секунду, то у эукариот обычно около 50. Там, где многие бактерии и археи обходятся одной ДНК-полимеразой (см. главу 14), эукариоты используют три родственные. Дельта-полимераза копирует отстающую цепь, эпсилон-полимераза – лидирующую, а альфа-полимераза имеет неожиданную функцию. Она удлиняет РНК-затравки на 15–20 нуклеотидов уже из ДНК, после чего уступает место полимеразам дельта и эпсилон. Альфа-полимераза часто делает ошибки, поэтому созданные ею фрагменты ДНК потом удаляются одновременно с РНК-затравками, и дельта-полимераза строит на их месте точные копии ДНК-матрицы. Кроме этих трех ДНК-полимераз у большинства эукариот есть четвертая – дзета-полимераза. Она заменяет другие полимеразы, когда нужно срочно скопировать поврежденную ДНК и нет времени на ее починку.
