Генеалогия белков свидетельствует о позднем приобретении митохондрий предками эукариот Последовательность эволюционных событий, завершившихся появлением эукариотической клетки, остается спорной

Генеалогия белков свидетельствует о позднем приобретении митохондрий предками эукариот Последовательность эволюционных событий, завершившихся появлением эукариотической клетки, остается спорной. Приобретение симбионта — альфапротеобактерии, от которой произошли митохондрии, — одними авторами помещается в начало этой цепочки событий, другими — в конец. Испанские биоинформатики попытались разрешить этот спор, сравнив эволюционные деревья белков, унаследованных эукариотами от разных групп прокариот.

Оказалось, что эукариотические белки делятся на четыре группы по времени их приобретения предками эукариот. Две самые старые группы, унаследованные от архей, отвечают за информационные процессы (репликация, транскрипция, трансляция) и чаще, чем другие белки, локализуются в клеточном ядре. Белки третьей группы позаимствованы у разных бактерий (но не у предков митохондрий) и часто работают в эндоплазматической сети или аппарате Гольджи. Четвертая, самая молодая группа эукариотических белков приурочена к митохондриям и отвечает за энергетический метаболизм и происходит от альфапротеобактерий. Эти данные говорят о том, что приобретение митохондрий было не начальным, а завершающим этапом становления эукариотической клетки. До этого момента предки эукариот, вероятно, оставались второстепенной группой, хотя у них уже было большинство признаков эукариот. Приобретение митохондрий стало удачным «завершающим аккордом», обеспечившим эукариотам эволюционный успех.

Появление эукариот — величайшее эволюционное событие, радикально изменившее судьбу биосферы и сделавшее возможной эволюцию сложных многоклеточных организмов, включая нас с вами. Биологи упорно трудятся над реконструкцией последовательности событий, завершившихся появлением эукариотической клетки в том виде, в каком мы ее знаем.

Одним из ключевых моментов эукариогенеза было приобретение внутриклеточного эндосимбионта — альфапротеобактерии, давшей начало митохондриям, «энергетическим станциям» эукариотической клетки. Однако уникальные особенности эукариот далеко не исчерпываются наличием митохондрий. В какой-то момент предки эукариот должны были обзавестись такими важными новшествами, как система внутренних мембранных структур (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи), ядро с двухслойной оболочкой, образующей единое целое с каналами эндоплазматической сети, цитоскелет, фагоцитоз, митоз, половое размножение и многое другое.

В какой последовательности всё это приобреталось, какие из инноваций были «ключевыми», предопределившими дальнейший ход событий, выяснить не так-то просто. Главная сложность здесь в том, что большинство промежуточных форм между про- и эукариотами, которые наверняка существовали в прошлом, к настоящему времени, похоже, вымерли. Впрочем, недавно открытые глубоководные локиархеи вселяют надежду, что всё может оказаться не так плохо.

Но пока даже с учетом локиархей проблема остается. «Последний общий предок эукариот» (Last Eukaryotic Common Ancestor, LECA), то есть существо, соответствующее той точке на эволюционном дереве, к которой сходятся генеалогии всех ныне живущих эукариот, очень сильно отличался от «первого общего предка эукариот» (FECA), то есть самого древнего организма, потомками которого являются все современные эукариоты, но не являющегося при этом предком каких-либо современных прокариот. FECA был близок к последнему общему предку эукариот и их ближайших современных прокариотических родственников, на роль которых претендуют локиархеи. FECA был, по сути дела, археей с некоторыми «продвинутыми» признаками, а LECA был уже полноценной эукариотической клеткой с митохондриями, ядром, митозом и всем прочим. Таким образом, между основанием эволюционного дерева эукариот (FECA) и основанием его пышной кроны (LECA) имеется длинный голый ствол, вдоль которого надо как-то расположить все эукариотические инновации.

Возможные сценарии эукариогенеза, обсуждаемые в литературе, можно условно подразделить на две группы: «ранние митохондрии» и «поздние митохондрии» (mito-early и mito-late). В первом случае приобретение митохондриального симбионта рассматривается как основополагающее стартовое событие, которое «потянуло» за собой все остальные преобразования. Во втором случае появление митохондрий помещается ближе к вершине ствола в виде некого завершающего штриха, а роль спускового крючка эукариогенеза отводится какому-то другому событию (или комбинации взаимосвязанных событий). Например, появлению фагоцитоза, системы внутренних мембран, митоза или полового размножения.

Биоинформатики из Университета имени Пумпеу Фабры в Барселоне попытались разрешить этот давний спор при помощи современных методов сравнительной геномики. Они использовали геномные данные по 37 видам эукариот, покрывающим все крупные подразделения этого надцарства, и по 692 прокариотам. Методический подход, положенный в основу работы, схематически изображен на рис. 1.

Сначала на основе анализа филогенетических деревьев отдельных групп родственных (ортологичных) белков были отобраны 1078 семейств эукариотических белков, имевшихся уже у LECA. О наличии того или иного белка у LECA судили по присутствию похожих белков у современных представителей сразу нескольких разных групп эукариот. Затем для каждого эукариотического белкового семейства определяли ближайшую прокариотическую родню. Предполагалось, что эукариоты, скорее всего, приобрели данный белок от соответствующей группы прокариот (путем вертикального наследования, горизонтального переноса генов или симбиогенеза — в данном случае не важно). Для всей этой группы родственных белков, эукариотических и прокариотических, строилось эволюционное дерево. На таком дереве длина «эукариотического ствола» (обозначена на рис. 1 как rsl, raw stem length) отражает эволюционное расстояние, пройденное данным белком от того момента, когда он впервые появился в эукариотической эволюционной линии, до LECA (который соответствует основанию кроны эукариотического семейства).

Расстояние, как известно, равно произведению скорости на время. Авторов в данном случае интересовало время, ведь они хотели понять, какие белки были приобретены эукариотами раньше, а какие позже. Поскольку скорость молекулярной эволюции у разных белковых семейств может различаться, величину rsl («расстояние») для получения оценки времени делили на медианное значение длин ветвей эукариотической кроны (ebl, eukaryotic branch length), которое отражает скорость молекулярной эволюции данного семейства белков. Итоговое значение sl (stem length) использовали как меру того, насколько давно эукариоты обзавелись данным белковым семейством.

В итоге для каждого из 1078 белков LECA были вычислены значения rsl и sl. Теперь нужно было выяснить, имеется ли в полученных данных какая-то структура и можно ли ее интерпретировать как результат нескольких последовательных волн приобретения эукариотами новых генов. Для этого к набору значений sl применили EM-алгоритм, который используется для разделения смеси гауссиан.

Получилось, что белки LECA по порядку их приобретения распадаются на четыре группы. Этот результат сам по себе мало что значит, и его можно было бы интерпретировать как некий статистический артефакт, если бы между четырьмя группами не обнаружились различия по трем существенным признакам: происхождению, клеточной локализации и функции.

Белки двух самых древних групп имеют преимущественно архейное происхождение. Скорее всего, большая их часть была приобретена эукариотами путем обычного вертикального наследования от прямых предков — архей, близких к локиархеям, а также путем горизонтального переноса от других архей (и отчасти от актинобактерий). Среди них повышена доля белков, локализующихся в клеточном ядре, а также выполняющих функции, связанные с обработкой генетической информации (репликация ДНК, транскрипция, трансляция).

Третья группа белков, приобретенная эукариотами позже двух первых, включает белки бактериального происхождения. Функции многих из них связаны с внутриклеточными мембранными структурами — эндоплазматической сетью и аппаратом Гольджи. Эти белки были заимствованы (путем горизонтального переноса или, может быть, в результате симбиогенеза — слияния клеток) не от какой-то одной группы бактерий, а от нескольких разных.

Этот результат хорошо согласуется с высказывавшимися ранее идеями о том, что предки эукариот еще до приобретения митохондрий были химерными существами с архейной «сердцевиной» и преимущественно бактериальной «периферией», которая сформировалась в результате массового заимствования археями-предками бактериальных генов. Между прочим, недавно было показано, что массированное заимствование бактериальных генов происходило на ранних этапах формирования чуть ли не всех больших клад архей, так что предок эукариот в этом плане не был исключением.

Наконец, четвертая, самая молодая группа белков LECA имеет преимущественно альфапротеобактериальное происхождение, локализуется в митохондриях и выполняет функции, связанные с энергетическим метаболизмом. Ясно, что это в основном белки, которые были приобретены вместе с эндосимбионтами — альфапротеобактериями, будущими митохондриями.

Затем авторы проверили полученные выводы более прямым путем, подсчитав среднюю древность (sl) белков LECA, имеющих разное происхождение, разные функции и разную внутриклеточную локализацию (рис. 2). Всё подтвердилось. Белки архейного происхождения оказались самыми древними, белки, полученные от альфапротеобактерий, — самыми молодыми, а белки, полученные от других групп бактерий, заняли промежуточное положение (то есть появились у эукариот до приобретения митохондрий). Аналогичные закономерности были выявлены для белков с разными функциями: «информационные» белки самые древние; связанные с метаболизмом — самые молодые; связанные с клеточным циклом, передачей сигналов и прочими функциями — имеют промежуточный возраст. То же самое получилось и для клеточной локализации: ядерные белки самые древние, белки эндоплазматической сети — промежуточные, митохондриальные — самые молодые.

Авторы также выяснили, какой из трех коррелирующих друг с другом параметров (происхождение, функция, локализация) теснее всего связан с возрастом. Оказалось, что здесь важнее всего происхождение белка. Например, если взять белки с похожими функциями, но разного происхождения, средний возраст у них будет разный. А вот если взять белки с разными функциями, но одинакового происхождения, то возраст у них получится одинаковый.

Кроме того, не удалось выявить никаких корреляций между древностью белка (sl) и такими показателями, как сила действия отбора (определяется по соотношению синонимичных и значимых нуклеотидных различий), участие в белок-белковых взаимодействиях и уровень экспрессии (показатели функциональной активности белка). Таким образом, выявленные различия sl определяются именно происхождением белка, а не его функцией или эволюционной судьбой.

Авторы подвергли свои выводы целому ряду разнообразных проверок. Одна из них состояла в том, что всё было пересчитано с использованием rsl (не нормализованных эволюционных расстояний) вместо sl. Дело в том, что скорость эволюции одного и того же белка в принципе могла быть разной до и после LECA. В таком случае нормализация, примененная авторами, не правомерна. Но это не повлияло на результаты: получилось всё то же самое.

Другая проверка состояла в том, что в анализ были включены белки цианобактериального происхождения, полученные одной из ветвей эукариот (архепластидами) вместе с эндосимбионтами — цианобактериями, давшими начало пластидам. О времени приобретения пластид кое-что известно. Мы знаем точно, что предки растений вступили в симбиоз с цианобактериями уже после разделения основных ветвей эукариот, то есть после LECA, и, конечно же, много позже приобретения митохондрий. Соответственно, если разработанная авторами методика хоть чего-то стоит, должно было получиться, что эукариотические белки цианобактериального происхождения — самые молодые.

Именно такой результат и был получен (рис. 3). Цианобактериальные белки эукариот оказались моложе всех остальных, в том числе — моложе белков альфапротеобактериального происхождения, приобретенных вместе с предками митохондрий.

Таким образом, проведенный анализ свидетельствует в пользу позднего приобретения митохондрий предками эукариот (сценарий mito-late). Большинство своих специфических белков эукариоты либо унаследовали от архейных предков (эти гены лежат в основе центральных, «информационных» систем эукариотической клетки; многие из них работают в ядре), либо, несколько позже, приобрели путем горизонтального переноса от разнообразных бактерий (многие из этих белков связаны с внутриклеточными мембранными структурами). Еще позднее эукариоты приобрели митохондриального симбионта вместе с набором белков альфапротеобактериального происхождения, многие из которых по сей день работают в митохондриях (хотя гены большинства из них были перемещены в ядро) и отвечают за энергетику клетки.

Судя по тому, что до нас не дожили потомки ни одной боковой веточки, отделившейся от эволюционного ствола эукариот до приобретения митохондрий (эти веточки показаны пунктиром на рис. 3), эукариоты до этого события вряд ли являлись очень успешной группой. Эндосимбиоз с альфапротеобактерией, возможно, все-таки был ключевым событием, которое обеспечило клетку эффективным аэробным метаболизмом и в итоге привело к стремительной дивергенции эукариот и обусловило их ошеломляющий эволюционный успех.

Источник: http://vk.cc/4L1hB7

Источник: vk.cc

Комментарии: