Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот

Рис. 1. Филогенетические деревья, отражающие родственные связи асгардархей. Слева — дерево, основанное на длинных фрагментах ДНК (контигах, см. Contig), полученных в ходе метагеномного анализа и включающих эволюционно консервативный кластер из 15 генов рибосомных белков. Показаны четыре типа асгардархей (слева направо: хеймдалльархеи, одинархеи, торархеи, локиархеи), а также надтип TACK — группа архей, наиболее близкая к асгардархеям и включающая типы Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota и Korarchaeota. Разными значками отмечены контиги, происходящие из разных местообитаний: LC — замок Локи, глубоководное гидротермальное поле в северной Атлантике; LCB — горячие источники Йеллоустонского национального парка; CR — водоносный горизонт рядом с руслом реки Колорадо; WOR — донные отложения эстуария реки White Oak (США), RP — Radiata Pool, геотермальный водоем в Новой Зеландии, AB — донные отложения залива Орхус (Дания); m.b.s.f. — метры под поверхностью морского дна. Справа — дерево, основанное на 55 рибосомных белках, общих для архей и эукариот. Видно, что эукариоты (Eukarya) — одна из ветвей асгардархей, наиболее близкая к хеймдалльархеям. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Современные методы метагеномного анализа уже позволяют собирать из фрагментов ДНК, выделенных из проб воды, донных осадков, почвы и других сред, целые геномы микроорганизмов, в том числе новых для науки. В 2015 году таким способом были открыты локиархеи — неизвестная ранее группа архей, близкая к эукариотам. Целенаправленный поиск микробов, родственных локиархеям, привел к обнаружению большой и разнообразной группы, заслуживающей ранга надтипа и получившей название «Асгард». В эту группу, помимо описанных ранее локиархей и торархей, входят два новых типа: одинархеи и хеймдалльархеи. В геномах асгардархей закодировано множество белков, ранее считавшихся характерными только для эукариот, в том числе многие компоненты цитоскелета, а также молекулярные системы, отвечающие за везикулярный транспорт и убиквитин-зависимую деградацию белков. Никто пока не видел асгардархей под микроскопом, но геномные данные указывают на более сложную организацию их клеток по сравнению с обычными прокариотами. Предки эукариот почти наверняка были асгардархеями, возможно, близкими к хеймдалльархеям. Открытие показало, что ряд шагов в сторону усложнения организации был сделан предками эукариот задолго до приобретения митохондриального симбионта.

После открытия локиархей происхождение эукариот стало выглядеть намного менее загадочным. Стало ясно, что многие особенности эукариотической клетки, ранее считавшиеся уникальными для эукариот, на самом деле появились еще у их прокариотических предков, которые были родственны локиархеям.

Локиархей удалось обнаружить благодаря стремительному развитию методов метагеномики и биоинформатики. Самое удивительное, что локиархей никто до сих пор не видел: все их свойства, родственные связи и само их существование удалось вычислить на основе маленьких фрагментов ДНК, выделенных из донных осадков глубоководного гидротермального поля «замок Локи» (Loki's Castle) в Северной Атлантике. Новые методы позволили собрать из этих фрагментов большие участки геномов и даже почти полные геномы (подробнее см. в новости Новооткрытый микроб заполняет брешь между прокариотами и эукариотами, «Элементы», 12.05.2015).

Вскоре стало понятно, что локиархеи — лишь вершина «айсберга» некультивируемых архей, близких к эукариотам, которые еще ждут своих первооткрывателей. Метагеномика открыла окно в мир неизвестных науке микробов, и поэтому неудивительно, что вслед за открытием локиархей последовали другие находки. В 2016 году был описан еще один тип архей, родственный локиархеям и эукариотам. Новую группу назвали торархеями (см.: R. W. Seitz et al., 2016. Genomic reconstruction of a novel, deeply branched sediment archaeal phylum with pathways for acetogenesis and sulfur reduction). Торархеи реконструированы по фрагментам ДНК из донных осадков эстуария реки White Oak River (восточное побережье США).

Затем шведские генетики и микробиологи, открывшие локиархей, объединились с американскими коллегами, описавшими торархей, а также с учеными из Японии, Дании и Новой Зеландии, чтобы совместными усилиями расширить этот пантеон, проведя широкомасштабный поиск новых архей, родственных локи- и торархеям, в донных отложениях различных типов. Исследовались морские отложения из залива Орхус (Дания; см. Bay of Aarhus), геотермальные водоемы Новой Зеландии и Йеллоустонского национального парка, глубоководные и мелководные гидротермальные источники, пресноводный водоносный горизонт близ русла реки Колорадо и упомянутые выше отложения в устье реки White Oak River. В общей сложности было отсеквенировано 645 миллиардов пар оснований (п. о.) в виде мелких фрагментов, из которых удалось собрать 3,28 миллиардов п. о. в виде контигов (см. Contig) длиной от 5 тысяч п. о. каждый. Из этих контигов выбрали последовательности, содержащие не менее 6 генов эволюционно консервативного кластера RP15, в состав которого входит 15 генов рибосомных белков. Медленно меняющиеся гены этого кластера хорошо подходят для филогенетического анализа (то есть для выяснения генеалогии и родственных связей), когда речь идет о группировках архей, разошедшихся сотни миллионов и миллиарды лет назад.

Филогенетический анализ, основанный на RP15, показал существование обособленной ветви архей, заслуживающей ранга надтипа и включающей, помимо локиархей и торархей, еще два не описанных ранее типа (рис. 1). Новые типы назвали одинархеями и хеймдалльархеями. Весь надтип закономерно получил название «Асгард» (Asgard).

Затем исследователи перешли от отдельных контигов к более полной характеристике геномов новооткрытых микробов. Главная трудность тут в том, чтобы понять, какие из множества фрагментов ДНК, присутствующих в пробе, относятся именно к данному геному. Эта задача — сродни тем, которые приходится решать палеогенетикам, собирающим из крохотных кусочков древней ДНК, смешанной с современными загрязнениями, полный геном очередного неандертальца или денисовца. Помогают решить эту проблему разнообразные хитрости, такие как сравнение частоты встречаемости четырехнуклеотидных последовательностей в отсеквенированных фрагментах, а также частоты встречаемости самих фрагментов (говоря упрощенно, если один фрагмент генома попадается в пробе очень часто, а другой — редко, то вряд ли эти два фрагмента происходят из одного и того же генома: скорее всего первый фрагмент принадлежит какому-то массовому микробу, а второй — редкому).

В итоге авторам удалось собрать почти полные геномы представителей каждого из четырех типов асгардархей. Это позволило повторить филогенетический анализ, используя уже не только гены кластера RP15, но и другие консервативные гены, в том числе — гены рибосомных РНК. Было построено множество деревьев, основанных на разных наборах генов и разных методах. В результате удалось с высокой степенью надежности подтвердить обособленность асгардархей (то есть то, что они действительно образуют отдельную ветвь на эволюционном дереве архей), а также то, что они заслуживают ранга надтипа (это определяют по длине ветвей и по уровню внутри- и межгрупповых различий). Подтвердилось также и наличие четырех крупных подразделений в пределах надтипа Asgard, заслуживающих ранга типа.

Что касается эукариот, то они фактически являются еще одной — пятой — подгруппой асгардархей. По-видимому, предки эукариот обособились от одного из типов асгардархей (скорее всего от хеймдалльархей) уже после его отделения от остальных типов (рис. 1, справа). Впрочем, этот вывод не является окончательным. Сохраняется вероятность, что предки эукариот занимают базальное положение по отношению к четырем типам асгардархей, то есть обособились раньше, чем произошло разделение этих типов. Но и в этом случае получается, что асгардархеи ближе к эукариотам, чем к любым другим археям (подобно тому, как шимпанзе и бонобо ближе к человеку, чем к другим обезьянам).

Таким образом, трехдоменное древо жизни, согласно которому предки эукариот и архей разделились до начала дивергенции современных групп архей, можно считать окончательно опровергнутым, а двухдоменное, согласно которому эукариоты отделяются внутри «кроны» современных архей, — окончательно подтвержденным. Этот вывод уже был сделан после открытия локиархей (см.: Новооткрытый микроб заполняет брешь между прокариотами и эукариотами, «Элементы», 12.05.2015), но теперь он стал выглядеть еще убедительнее.

Начав с рибосомного кластера RP15 и собрав на его основе большие фрагменты геномов, авторы выяснили в том числе и последовательности генов 16S-рРНК различных представителей асгардархей. Эти последовательности используются для быстрой идентификации и оценки численности микроорганизмов в пробах из разных сред. Анализ множества проб показал, что асгардархеи широко распространены в самых разных типах осадков в анаэробных условиях. При этом локиархеи являются массовой группой, торархеи и хеймдалльархеи обычно малочисленны, а одинархеи встречаются почти исключительно в термальных водах.

Важнейшей особенностью всех локиархей является присутствие множества генов, кодирующих белки, которые ранее (до открытия локиархей) считались уникальными для эукариот. Авторы называют эти белки «eukaryotic signature proteins» (ESP). Необходимо подчеркнуть, что обособленность асгардархей и их близкое родство с эукариотами были установлены не по генам ESP, а по другим генам, которые есть у всех архей. Поэтому наличие ESP — это отдельное, независимое доказательство близости асгардархей к предкам эукариот.

Деревья, построенные для отдельных ESP, показывают, что архейные варианты этих белков всегда ответвляются базальнее эукариотических. Это значит, что наличие ESP у асгардархей нельзя объяснить ни эукариотическим загрязнением (о том же говорит и наличие типичных прокариотических генов в одних контигах с ESP), ни горизонтальным переносом от эукариот. Это действительно «предковые», прокариотические варианты эукариотических белков.

Распределение важнейших ESP по геномам разных представителей асгардархей показано на рис. 2. Распределение довольно мозаично, но при этом у каждого микроба имеется внушительный набор ESP, а многие ESP есть у всех или большинства видов асгардархей. Учитывая ограниченность имеющихся геномных данных, а также склонность прокариот к горизонтальному переносу генов, расшифровать в деталях эволюционную историю ESP пока затруднительно. Эта проблема, скорее всего, разрешится по мере накопления данных по асгардархеям. А пока можно лишь констатировать, что внушительный набор «эукариотических» белков сформировался уже у архейных предков эукариот. Скорее всего, это произошло задолго до приобретения митохондриального симбионта.

Рис. 2. Эволюционное дерево асгардархей, для которых удалось собрать значительную часть генома, и распределение белков, ранее считавшихся уникальными для эукариот (ESP). Показаны белки, связанные с обработкой генетической информации (репликация, транскрипция, трансляция), цитоскелетом, транспортом веществ при помощи мембранных пузырьков, убиквитин-зависимой деградацией белков и гликозилированием белков (которое у эукариот осуществляется на мембранах эндоплазматического ретикулума). Черные кружки — наличие белка установлено надежно, серые — предположительно, белые — белок не обнаружен. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

У некоторых асгардархей обнаружены ESP, отсутствующие в ранее изученных геномах локиархей. Например, у одинархей есть настоящий тубулин — важнейший компонент эукариотического цитоскелета (более отдаленные гомологи тубулинов, белки FtsZ, широко распространены у прокариот).

Многие ESP асгардархей в эукариотической клетке являются компонентами цитоскелета, участвуют в клеточном делении, транспорте белков при помощи мембранных пузырьков (см. Везикулярный транспорт), убиквитин-зависимой деградации белков, а также в гликозилировании белков на мембранах эндоплазматического ретикулума (см. Oligosaccharyltransferase) (рис. 3).

Рис. 3. Схематическое изображение клеточных структур и процессов, в которых задействованы белки, ранее считавшиеся уникальными для эукариот, но теперь обнаруженные у асгардархей. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Cудя по набору генов, клетки асгардархей могут иметь весьма сложную организацию. Они почти наверняка обладают подвижными мембранами; с большой вероятностью у них есть внутриклеточные мембранные структуры, аналогичные эндоплазматическому ретикулуму и аппарату Гольджи. Может быть, у них даже есть какое-то подобие ядра (ведь ядерная оболочка, как известно, образует единое целое с эндоплазматическим ретикулумом, а у асгардархей могут присутствовать сложные транспортные системы, способные обеспечить транспорт молекул между протоядром и цитоплазмой). Не исключено также наличие у асгардархей способности к фагоцитозу. Это могло бы сильно облегчить захват бактериальных симбионтов — предков митохондрий. Наличие компонентов убиквитин-зависимой системы деградации белков свидетельствует в пользу того, что у асгардархей, как и у эукариот, белки подвергаются регулярному ресайклингу: отслужившие молекулы разбираются на запчасти, а вместо них синтезируются новые. Это позволяет оперативно регулировать состояние клетки в зависимости от меняющихся условий (у эукариот такая регуляция развита гораздо сильнее, чем у типичных прокариот). Наличие везикулярного транспорта и убиквитиновой системы косвенно свидетельствует в пользу того, что клетки асгардархей, возможно, имеют не только сложное строение, но и весьма крупные (по прокариотическим меркам) размеры.

Впрочем, нужно помнить, что функции белков могут меняться в ходе эволюции, и поэтому не исключена вероятность того, что некоторые ESP у асгардархей отвечают за какие-то иные функции, отличные от тех, что выполняются родственными белками у эукариот. Экспериментальное изучение функций ESP еще впереди.

В обсуждаемой статье ничего не говорится о метаболизме асгардархей, однако другими авторами ранее было показано, что локиархеи и торархеи, вероятно, являются строго анаэробными автотрофами, которые получают энергию за счет восстановления соединений серы и ацетогенеза (см. Acetogenesis) (R. W. Seitz et al., 2016. Genomic reconstruction of a novel, deeply branched sediment archaeal phylum with pathways for acetogenesis and sulfur reduction) и нуждаются в молекулярном водороде (F. L. Sousa et al., 2016. Lokiarchaeon is hydrogen dependent).

Конечно, очень хочется узнать, как выглядят асгардархеи, как они делятся, как обмениваются генетическим материалом, подвижны ли они, есть ли у них на самом деле фагоцитоз, эндоплазматический ретикулум и всё остальное. Но для этого нужно научиться культивировать асгардархей в лаборатории. Пока это не сделано, придется довольствоваться геномными данными.

Так или иначе, асгардархеи перекинули надежный мост через «пропасть», которая, как многим казалось еще недавно, отделяет сложную эукариотическую клетку от простой прокариотической. Стало ясно, что значительную часть своей сложной организации предки эукариот приобрели еще на прокариотической стадии — задолго до того, как обзавелись митохондриальным симбионтом.

.S. Наша гипотеза о происхождении эукариот от полиплоидных архей (см.: Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза, «Элементы», 14.06.2016) предсказывает, что асгардархеи должны быть полиплоидами (может быть, не все, но хотя бы некоторые). Это согласуется с косвенными данными, указывающими на крупный размер клеток (см. выше). Чтобы напрямую определить плоидность микроба, нужно иметь чистую культуру: тогда можно сопоставить число клеток в пробе с содержанием в ней ДНК и, зная размер генома, вычислить плоидность. Поскольку сделать этого пока нельзя, приходится полагаться на косвенный признак — наличие или отсутствие гистонов. Недавно выяснилось, что все археи, для которых доказана полиплоидность, имеют гистоны, тогда как у моноплоидных архей гистонов нет (S. K. Spaans et al., 2015. The chromosome copy number of the hyperthermophilic archaeon Thermococcus kodakarensis KOD1). В обсуждаемой статье гистоны не упоминаются (ведь они не относятся к ESP), но это не проблема, поскольку геномные последовательности асгардархей выложены в сеть и находятся в открытом доступе. Это позволяет любому желающему убедиться в наличии гистонов у представителей всех четырех типов асгардархей.

Источник: Katarzyna Zaremba-Niedzwiedzka, Eva F. Caceres, Jimmy H. Saw, Disa B?ckstr?m, Lina Juzokaite, Emmelien Vancaester, Kiley W. Seitz, Karthik Anantharaman, Piotr Starnawski, Kasper U. Kjeldsen, Matthew B. Stott, Takuro Nunoura, Jillian F. Banfield, Andreas Schramm, Brett J. Baker, Anja Spang & Thijs J. G. Ettema. Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity // Nature. Published online 11 January 2017.

См. также:
1) Новооткрытый микроб заполняет брешь между прокариотами и эукариотами, «Элементы», 12.05.2015.
2) Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза, «Элементы», 14.06.2016.

Александр Марков