Обнаружено первое животное без митохондриального генома

Во всех ли эукариотных клетках есть митохондрии? Нет, не во всех. У многих одноклеточных они превратились в гидрогеносомы или в митосомы — более простые структуры, неспособные обеспечивать кислородное дыхание. Обычно это сопровождается потерей митохондриального генома (как известно, унаследованного от альфа-протеобактерий, потомками которых митохондрии являются). Но у многоклеточных животных подобные случаи до сих пор не были известны — или, во всяком случае, не были надежно подтверждены. Теперь описан представитель миксозоев (крайне упрощенных паразитических стрекающих), совершенно точно потерявший и митохондриальный геном, и функцию кислородного дыхания. Эволюционное упрощение животных может дойти и до такой ступени.

Общепризнано, что приобретение митохондрий было одним из ключевых событий, создавших эукариотную клетку. Эта тема много раз обсуждалась в современной научно-популярной литературе, в том числе и на страницах «Элементов» (см., например: Теория симбиогенеза 50 лет спустя: параллельной эукариотизации, скорее всего, не было, «Элементы», 22.11.2017), поэтому сейчас ее изложение, вероятно, можно не повторять. Подавляющее большинство современных эукариот использует митохондрии для кислородного дыхания и без доступа к кислороду жить не может. Такие организмы называются аэробными. Хорошо знакомые нам животные, растения, грибы, — все это аэробные эукариоты.

Однако в нескольких эволюционных линиях эукариот способность к аэробному дыханию исчезает за ненадобностью — в связи с переходом к жизни в бескислородной среде. Митохондрии при этом упрощают свою структуру и могут превращаться либо в гидрогеносомы, либо в еще более простые митосомы. Гидрогеносомы продолжают расщеплять питательные вещества, но без всякого участия кислорода, выделяя в результате ацетат, углекислоту и водород и поставляя клетке энергию в форме АТФ. Что касается митосом, то они в снабжении клетки энергией вообще не участвуют, но сохраняют кое-какие другие биохимические функции, митохондриям обычно свойственные. Митосомы продолжают обеспечивать сборку железосерных кластеров, которые входят в состав многих важных белков (эти кластеры всегда собираются в митохондриях и именно оттуда транспортируются в остальную часть клетки). Есть и другие типы упрощенных митохондрий, продолжающих так или иначе участвовать в обмене веществ (см. F. Maguire, T. A. Richards, 2014. Organelle evolution: a mosaic of ‘mitochondrial’ functions). Все они вместе называются «mitochondrion-related organelles» (MRO), что означает «органеллы, родственные митохондриям» или «митохондриеподобные органеллы», — русский перевод тут еще не устоялся. Некоторые MRO очень похожи на обычные митохондрии, а другие изменены до неузнаваемости. Есть, наконец, и такие эукариоты, у которых от митохондрий вообще ничего не осталось (см. Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий, «Элементы», 18.05.2016).

Мир безмитохондриальных эукариот по-своему интересен. Строго говоря, термин «безмитохондриальные эукариоты», который был актуальным лет двадцать назад, сейчас устарел: у большинства этих организмов на самом деле есть остатки митохондрий, а иногда и почти полноценные митохондрии, только потерявшие функцию классического кислородного дыхания. Но в любом случае все хорошо изученные представители этой категории — существа одноклеточные: жгутиконосцы, амёбы, инфузории или споровики. А может ли многоклеточный организм остаться без митохондрий? Нам, конечно, трудно вообразить многоклеточное животное, бесповоротно отказавшееся от кислородного дыхания и перешедшее на анаэробный обмен, — это выглядит в лучшем случае как сюжет для научной фантастики. Но нет причин считать, что такое принципиально невозможно.

Некоторые свидетельства подобных эволюционных событий и в самом деле есть. Причем они могут касаться даже свободноживущих животных (в смысле, непаразитов). Еще в 1970-х годах обнаружили, что Paramonhystera wieseri, морской червь из группы нематод, живет в глубине бескислородного черного ила в полностью анаэробных условиях (W. Wieser, 1978. The ecophysiology of marine nematodes). Более того, экспериментально показано, что кислород для этой нематоды вреден — он понижает ее жизнеспособность (O. Giere, 2009. Meiofauna from selected biotopes and regions). Есть и другие нематоды с похожим образом жизни. Но они пока что слабо изучены, про их обмен веществ известно мало, и что там у них с митохондриями — никто, похоже, толком не знает. Кроме нематод, есть и другие мелкие морские черви, у которых отсутствие «нормальных» митохондрий подтверждается электронной микроскопией. Существуют данные, что у некоторых лорицифер, постоянно живущих в анаэробных условиях (см. Лорициферы заставляют вносить поправки в эволюционное древо линяющих животных, «Элементы», 13.11.2015), митохондрии превратились в гидрогеносомы. Но и это пока еще до некоторой степени спорно (см. J. M. Bernhard et al., 2015. Metazoans of redoxcline sediments in Mediterranean deep-sea hypersaline anoxic basins), а главное — не изучено молекулярно-генетически.

А молекулярно-генетическое исследование тут не помешало бы. Хорошо известно, что митохондрии — это бывшие бактерии. Они до сих пор сохраняют собственный геном и собственный аппарат синтеза белка, причем и то, и другое — бактериального типа. Митохондриальные геномы всегда очень малы: например, у человека митохондриальный геном содержит 13 белок-кодирующих генов, у цветкового растения арабидопсиса — 32 белок-кодирующих гена, у пекарских дрожжей — 17, а у малярийного плазмодия — всего-навсего 3 (см. M. W. Gray, 2012. Mitochondrial evolution). Но при этом митохондриальный протеом, то есть множество всех белков, функционирующих в митохондрии, обычно насчитывает больше тысячи разновидностей. А ведь каждому белку должен соответствовать какой-то ген, его кодирующий. Это означает, что большинство митохондриальных генов в ходе эволюции мигрировало в клеточное ядро.

Тенденция к переносу митохондриальных генов в ядро — мощная и всеобщая (это касается и хлоропластов, которые тоже произошли от симбиотических бактерий; см. Открыт хищный родственник красных водорослей, «Элементы», 30.07.2019). Почему так происходит, вопрос на самом деле не совсем тривиальный. Одна из причин может заключаться в том, что митохондрии — в отличие от свободноживущих бактерий — абсолютно неспособны к половому процессу, поэтому у них нет перемешивания генов, помогающего устранять вредные мутации (см., например: Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009). В результате митохондриальные гены меньше «портятся», если перенести их в ядро и заставить участвовать в половом процессе вместе с ядерным геномом (O. G. Berg, C. G. Kurland, 2000. Why mitochondrial genes are most often found in nuclei). Но, независимо от объяснения, сам по себе массовый переход митохондриальных генов в ядро — это твердо установленный факт.

И тут возникает следующий вопрос. А может ли митохондрия совсем потерять свой геном? Да, в принципе может. Для этого нужно, чтобы абсолютно все митохондриальные гены либо перешли в ядро, либо исчезли. И такое действительно бывает: ни в типичных гидрогеносомах, ни тем более в митосомах «безмитохондриальных» одноклеточных эукариот никаких генов уже нет. Но вот у многоклеточных животных достоверно подтвержденные случаи полной утраты митохондриального генома до сих пор не были известны.

Сейчас, похоже, такой случай нашелся. Международная группа исследователей проверила, как обстоит дело с митохондриями у некоторых миксозоев — чрезвычайно сильно упрощенных паразитических животных, которые относятся к группе стрекающих, но уже совсем не похожи ни на полипов, ни на медуз (см. Ортонектиды и дициемиды: единая группа или альтернативные пути упрощения?, «Элементы, 19.02.2020). Стоит отметить, что в состав этой группы (не миксозоев, а их исследователей) входит известный французский молекулярный биолог и эволюционист Эрве Филипп (Herve Philippe), работы которого не раз обсуждались на страницах «Элементов» (см. Сравнительная геномика вынуждает пересмотреть место гребневиков на эволюционном древе животных, «Элементы», 18.12.2015; Выделена новая супергруппа эукариот, «Элементы», 17.04.2018). Объектами исследования стали два представителя миксозоев: Myxobolus squamalis и Henneguya salminicola (рис. 1), оба они паразитируют в лососевых рыбах.

Авторы подошли к делу чрезвычайно обстоятельно. Для начала они построили не более и не менее как эволюционное древо всех эукариот, основанное на последовательностях 78 ядерных генов, кодирующих рибосомные белки (рис. 2). Эти гены для эукариот универсальны, и у обоих исследованных представителей миксозоев почти все они нашлись. Получившееся древо представляет немалый интерес само по себе: ведь крупномасштабные родственные отношения эукариот — это для современной биологии очень актуальная тема. Несмотря на то, что в первом приближении родословное древо эукариот уже построено, оно до сих пор постоянно уточняется (см. Случайно открытый жгутиконосец обновляет систему эукариот, «Элементы», 16.02.2019), и тут может быть ценной любая дополнительная информация. Но в данном случае авторам было важнее всего то, что построенное древо подтвердило расположение обоих исследованных объектов «там, где надо», то есть среди стрекающих животных. Это свело к минимуму вероятность ошибки или контаминации.

Рис. 2. Эволюционное древо эукариот, построенное Эрве Филиппом и его коллегами по последовательностям 78 рибосомных генов. Звездочками обозначены существа, у которых подтверждена полная потеря митохондриального генома. О том, что означают названия эволюционных ветвей и кто в них входит, можно прочитать в обзоре, посвященном этой теме. В целом новое древо Филиппа и его коллег вполне соответствует современным представлениям о том, как устроено эволюционное древо эукариот. Но оно имеет несколько особенностей, которые могут быть интересны читателям, неравнодушным к этим вопросам — особенно с учетом того, что гипотезы о крупномасштабных родственных связях эукариот то и дело слегка обновляются. Во-первых, на этом древе нет группы Obazoa, которая была выделена в 2013 году и упоминание которой стало своего рода знаком научного мэйнстрима. Во-вторых, на нем есть состоящая из гаптистов и криптистов группа Hacrobia, существование которой спорно. В-третьих, группы Metamonada и Discoba, которые раньше считались родственными и объединялись в предположительно примитивную группу Excavata, здесь находятся вообще в разных частях древа. При этом группа Discoba выглядит родственной группе SAR, а группа Metamonada — группе Amorphea; в цитируемом обзоре можно видеть, что последнюю гипотезу уже высказывали год назад канадские биологи. В целом все древо эукариот распадается здесь на две гигантские ветви, которые можно было бы предварительно, в порядке шутки, назвать «все животные» (Pananimalia) и «все растения» (Panplantae; см. A. B. Shipunov, 2009. Systema Naturae or the outline of living world classification), а можно и по старинке: Unikonta и Bikonta. Конечно же, целью авторов в данном случае не было построение надежного древа всех эукариот, но полученный ими результат заслуживает размышления. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в PNAS

В плане генетики митохондрий Myxobolus и Henneguya, как выяснилось, сильно отличаются друг от друга. У Myxobolus был обнаружен нормальный митохондриальный геном, представляющий собой классическую кольцевую молекулу ДНК. Прочтение нуклеотидной последовательности этой ДНК еще раз подтвердило, что она принадлежит кому-то из миксозоев. Другими словами, здесь неожиданностей не оказалось.

А вот у Henneguya никакой митохондриальной ДНК обнаружить не удалось — во всяком случае, молекулярно-генетическими методами. Действительно ли ее там нет? Чтобы это проверить, исследователи тут же призвали на помощь еще один метод, а именно световую микроскопию. Найти в рассматриваемых клетках ДНК — задача для нее рутинная. Есть специальные красители, в том числе флуоресцентные (то есть светящиеся), которые связываются с ДНК и больше ни с чем. Выяснилось, что у Myxobolus ДНК есть и в ядре, и в митохондриях (рис. 3, A), а у Henneguya — исключительно в ядре (рис. 3, B). Был сделан вывод, что это уж точно не случайность. Итак, Henneguya оказалась первым многоклеточным животным, у которого отсутствие митохондриального генома надежно подтверждено.

Рис. 3. Митохондрии и ДНК миксозоев. На первых двух фото показаны группы клеток миксоболуса (A) и эннегии (B), обработанные светящимся красителем, который связывается с ДНК. Крупные скопления ДНК — это, конечно, ядерный геном. Кроме них, у миксоболуса есть мелкие скопления, обозначенные стрелками — это геном митохондрий. У эннегии этих мелких скоплений нет. Третье фото (C) — электронно-микроскопическое изображение митохондрии эннегии. Она упрощена, но еще сохраняет складки внутренней мембраны. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в PNAS

Тут уместно добавить, что Henneguya была открыта еще в XIX веке, когда миксозои считались не многоклеточными животными, а простейшими, и получила свое название в честь французского биолога Луи-Феликса Эннеги (Louis-Felix Henneguy), который остался в истории науки в первую очередь благодаря своему участию в открытии центриолей, важных элементов эукариотной клетки. Таким образом, правильное русское название интересующего нас существа — эннегия.

Исследование, конечно, на этом не остановилось. Микроскопия, теперь уже электронная, показала, что в клетке эннегии все же есть небольшие, но хорошо заметные структуры, окруженные двумя мембранами, внутренняя из которых имеет характерные складки (рис. 3, C). Именно так выглядят митохондрии. Значит, в клетке эннегии они присутствуют, но только без генома. Более того, митохондрии эннегии оказались достаточно сильно похожи на митохондрии миксоболуса (в которых, напомним, геном самым традиционным образом сохраняется).

Отсутствие в митохондриях самостоятельного генома не означает отсутствия в клетке генов митохондриального происхождения. У животных большинство этих генов в любом случае успело «переехать» в ядро. Разумеется, это относится и к эннегии — с той разницей, что у нее в ядре находятся все уцелевшие митохондриальные гены. Действительно, ученые идентифицировали в ядерном геноме эннегии 51 ген с «митохондриальными» задачами: если говорить точнее, продукты этих генов управляют локализованными в митохондриях путями обмена веществ. Причем эти гены остались полноценными и активными. А вот те гены, функции которых связаны с поддержанием самого митохондриального генома, у эннегии не работают. Они больше не нужны. Чтение нуклеотидных последовательностей показывает, что большинство из них превратилось в псевдогены — нефункциональные бывшие гены, «испорченные» накопившимися мутациями и переставшие производить белки. Сам факт псевдогенизации генов, необходимых для работы генетического аппарата митохондрий (например, для репликации митохондриальной ДНК), дополнительно подтверждает, что у эннегии этого самого генетического аппарата нет.

Разумеется, это не значит, что у эннегии вообще нет митохондрий. Они есть. Но их функции серьезно изменены по сравнению с «нормальными» животными.

Почему вообще в митохондриях сохраняется геном? Раз уж есть некие мощные факторы, способствующие «переезду» митохондриальных генов в ядро (и не способствующие их «переезду» обратно), то почему туда давным-давно не переместились все митохондриальные гены до единого? Надо сказать, что у обычных животных в ядро «переехали» хотя и не все митохондриальные гены, но подавляющее большинство — около 99%. Гены, оставшиеся непосредственно в митохондриях — это гены белков электрон-транспортной цепи, которые захватывают отобранные у молекул питательных веществ электроны и объединяют их с кислородом, тем самым доводя до конца процесс дыхания. Кроме генов, кодирующих эти белки, в митохондриях обычно остаются только рибосомные гены, нужные для их синтеза. Возможно, гены дыхательных белков остались в митохондриях потому, что регуляция активности этих генов должна постоянно учитывать химические параметры среды внутри митохондрии — точнее, ее окислительно-восстановительное состояние (см., например: J. F. Allen, W. Martin, 2016. Why have organelles retained genomes?). Если такая регуляция потребует обмена данными с ядром, она будет недопустимо медленной. Лучше уж синтезировать дыхательные белки прямо на месте. Очень похожие вещи происходят и с геномами хлоропластов — вероятно, по тем же причинам.

Теперь вернемся к эннегии. У нее митохондриального генома вообще нет. Это означает, что тонкая регуляция синтеза белков электрон-транспортной цепи для нее невозможна. Значит, невозможно и дыхание? Похоже, так и есть. Известно, например, что в гидрогеносомах, тоже лишенных генома, электрон-транспортные цепи напрочь отсутствуют (там сохраняется только субстратное фосфорилирование, в котором они не участвуют), и эти факты наверняка связаны между собой. Что же касается эннегии, то анализ генома показал, что у нее потеряно большинство «дыхательных» генов, и главное — потеряны все гены белковых комплексов I, II и IV, которые образуют основу той самой электрон-транспортной цепи аэробных организмов (см. схему в Википедии). Это означает, что кислородного дыхания у эннегии нет. Хотя многие другие функции митохондрий, связанные с обменом липидов, аминокислот, сборкой железосерных кластеров и тому подобным, у нее, по всей видимости, сохранены.

В то же время остатки митохондрий эннегии — это не гидрогеносомы. Во-первых, они гораздо сложнее устроены, а во-вторых, у эннегии не удалось найти специфически гидрогеносомные ферменты, которые разлагают питательные вещества с выделением водорода в качестве конечного продукта. Гены, кодирующие эти ферменты, вероятно, могут приобретаться разными отказавшимися от классического дыхания эукариотами путем горизонтального переноса генов (ГПГ). У эннегии этого не произошло. Каким именно типом энергетического обмена она пользуется, пока неясно, но можно предположить, что утрата дыхания случилась у нее эволюционно недавно.

История эннегии наглядно показывает, что нет признака, который не мог бы быть вторично потерян при упрощении организма. Никаких запретов на глубину упрощения эволюция, по-видимому, не накладывает. Надо сказать, что ученые не всегда держались этого мнения. Например, академик Владимир Иванович Вернадский часто ссылался на принцип цефализации, констатирующий «непрерывный с кембрия, с остановками, но без возврата назад, рост центральной нервной системы, мозгового аппарата в одном и том же направлении». Принцип этот был высказан еще в середине XIX века американским геологом и палеонтологом Джеймсом Даной (James Dwight Dana). Увы, на самом деле значимость этого принципа — в лучшем случае вероятностная. Есть как минимум две группы животных, которые под влиянием паразитического образа жизни не только упростили нервную систему, но и потеряли ее полностью: дициемиды и те самые миксозои, о которых мы сейчас говорим. А теперь мы видим, что по меньшей мере один представитель миксозоев умудрился отказаться даже от такой вполне базовой характеристики животных, как аэробное дыхание. Отсюда легко сделать вывод, имеющий не только биологическое, но и моральное значение. Никогда нельзя полагаться на мнение, будто нечто приобретенное в ходе эволюции уже невозможно утратить: увы, возможности эволюционной деградации беспредельны.

Источник: Dayana Yahalomi, Stephen D. Atkinson, Moran Neuhof, E. Sally Chang, Herve Philippe, Paulyn Cartwright, Jerri L. Bartholomew, Dorothee Huchon. A cnidarian parasite of salmon (Myxozoa: Henneguya) lacks a mitochondrial genome // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020. V. 117. № 10. P. 5358–5363. DOI: 10.1073/pnas.1909907117.

Сергей Ястребов