Eikarioti: stāsts par tās arheālajiem senčiem

Tradicionālā dzīvības formu grupēšana prokariotos un eikariotos tika pārskatīta 1977. gadā, kad rRNS sekvences raksturojums atklāja, ka arhejas (tolaik sauktas par "arhebaktērijām") ir "tikpat tālu radniecīgas baktērijām kā baktērijas eikariotiem". eubaktērijās (kas ietver visas tipiskās baktērijas), arhejās un eikariotos. Palika jautājums par eikariotu izcelsmi. Laika gaitā sāka veidoties pierādījumi par labu eikariotu arheālajiem senčiem. Īpaši interesants bija atklājums, ka Asgard arhejas genomā ir vairāki simti eikariotu paraksta proteīnu (ESP) gēnu. ESP ir izšķiroša loma eikariotu citoskeleta un sarežģītu šūnu struktūru īpašību attīstībā. Revolucionārā pētījumā, kas publicēts 21. gada 2022. decembrī, pētnieki ir ziņojuši par veiksmīgu nenotveramu Asgardas arheju bagātinātas kultūras kultivēšanu, ko viņi attēloja, izmantojot krioelektronu tomogrāfiju. Viņi novēroja, ka Asgard šūnām patiešām bija sarežģīts citoskelets, kura pamatā ir aktīns. Šī bija pirmā tiešā vizuālā liecība par eikariotu arheālo izcelsmi, kas ir nozīmīgs solis eikariotu izcelsmes izpratnē.  

Līdz 1977. gadam dzīvības formas uz Zemes tika grupētas eukarioti (sarežģītas formas, ko raksturo šūnas ģenētisko materiālu iekļaušana precīzi noteiktā kodolā un citoskeleta klātbūtne) un prokarioti (vienkāršākas dzīvības formas ar ģenētisko materiālu citoplazmā bez noteikta kodola, ieskaitot baktērijas un arhebaktērijas). Tika uzskatīts, ka šūnu eukarioti attīstījās apmēram pirms 2 miljardiem gadu, iespējams, no prokariotiem. Bet kā īsti radās eikarioti? Kā sarežģītās šūnu dzīvības formas ir saistītas ar vienkāršākām šūnu dzīvības formām? Tas bija liels atklāts jautājums bioloģijā.  

Tehnoloģiskie sasniegumi gēnu un proteīnu molekulārajā bioloģijā palīdzēja iedziļināties problēmas būtībā, kad 1977. gadā tika atklāts, ka arhejas (toreiz sauktas par arhebaktērijām) ir ''tikpat tālu radniecīgas ar baktērijām kā baktērijas eukarioti. "Agrākā dzīvības formu iedalīšana prokariotos un eikariotos balstījās uz fenotipiskām atšķirībām šūnu organellu līmenī. Tā vietā filoģenētiskajām attiecībām jābalstās uz plaši izplatītu molekulu. Ribosomālā RNS (rRNS) ir viena no šādām biomolekulām, kas atrodas visās pašreplicējošās sistēmās un kuras sekvences laika gaitā mainās ļoti maz. Analīze, kas balstīta uz rRNS sekvences raksturojumu, radīja nepieciešamību grupēt dzīvos organismus eubaktērijās (ietver visas tipiskās baktērijas), Archaea, un eikarioti¹.  

Pēc tam sāk parādīties pierādījumi par ciešākām attiecībām starp arhejām un eikariotiem. 1983. gadā tika konstatēts, ka DNS atkarīgās RNS polimerāzes arhejas un eukarioti ir viena veida; abiem ir pārsteidzoši līdzīgas imūnķīmiskās īpašības, un abi ir atvasināti no kopīgas senču struktūras². Pamatojoties uz izsecinātu olbaltumvielu pāra salikto filoģenētisko koku, cits pētījums, kas publicēts 1989. gadā, atklāja arheju ciešāku saistību ar eikariotiem nekā ar eubaktērijām.³. Līdz šim laikam arheālā izcelsme eukarioti tika izveidota, bet precīzas arheālās sugas vēl ir jānosaka un jāizpēta.  

Izaugsme genoma pētījumos pēc panākumiem genoma projekts, nodrošināja šai zonai tik nepieciešamo papildinājumu. Laikā no 2015. līdz 2020. gadam vairākos pētījumos konstatēts, ka Asgard Archaea pārnēsā eikariotiem specifiskus gēnus. Viņu genomi ir bagātināti ar olbaltumvielām, kas tiek uzskatītas par specifiskām eikariotiem. Šie pētījumi skaidri noteica, ka Asgard arhejai ir vistuvākais ģenētiskais tuvums eikariotiem, jo ​​to genomā ir simtiem eikariotu paraksta proteīnu (ESP) gēnu.  

Nākamais solis bija fiziski vizualizēt Asgard arhejas iekšējo pagraba struktūru, lai apstiprinātu ESP lomu, kā tiek plaši uzskatīts, ka ESP ir galvenā loma sarežģītu šūnu struktūru veidošanā. Šim nolūkam bija vajadzīgas ļoti bagātinātas šīs arhejas kultūras, taču ir zināms, ka Asgarda ir nenotverama un noslēpumaina. radot grūtības kultivēt pietiekami lielos daudzumos, lai tos pētītu laboratorijā. Saskaņā ar pētījumu, par kuru nesen ziņots 21. gada 2022. decembrī, šīs grūtības tagad ir pārvarētas.  

Pēc sešu gadu smaga darba pētnieki ir improvizējuši paņēmienus un veiksmīgi audzējuši laboratorijā ļoti bagātinātu kultūru.Candidatus Lokiarchaeum ossiferum”, Asgard patvēruma loceklis. Tas bija ievērojams sasniegums arī tāpēc, ka tas ļāva pētniekiem vizualizēt un pētīt Asgarda iekšējās šūnu struktūras.    

Lai attēlotu bagātināšanas kultūru, tika izmantota krioelektronu tomogrāfija. Asgarda šūnām bija kokosveida šūnu ķermeņi un sazarotu izvirzījumu tīkls. Šūnu virsmas struktūra bija sarežģīta. Citoskelets izplatījās visā šūnu ķermeņos. Vīti divpavedienu pavedieni satur lokiaktīnu (ti, aktīna homologus, ko kodē Lokiarchaeota). Tādējādi Asgard šūnām bija sarežģīts uz aktīnu balstīts citoskelets, ko pētnieki ierosina, pirms pirmā evolūcijas. eukarioti.  

Kā pirmais konkrētais fiziskais/vizuālais pierādījums par eikariotu arheālo izcelsmi, tas ir ievērojams progress bioloģijā.

*** 

Norādes:  

1. Woese CR un Fox GE, 1977. Prokariotu domēna filoģenētiskā struktūra: primārās karaļvalstis. Publicēts 1977. gada novembrī. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Huets, Dž. un citi 1983. Arhebaktērijām un eikariotiem piemīt izplatīta tipa DNS atkarīgas RNS polimerāzes. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Ivabe, N., un citi 1989. Arhebaktēriju, eibaktēriju un eikariotu evolūcijas attiecības, kas izriet no dublēto gēnu filogenētiskajiem kokiem. Proc. Natl Acad. Sci. USA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Rodrigess-Oliveira, T., un citi. 2022. Aktīna citoskelets un sarežģīta šūnu arhitektūra Asgardas arheonā. Publicēts: 21. gada 2022. decembrī. Daba (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***