История дупликаций консервативных генов уточняет начальные этапы эволюции эукариот

Каким было начало эволюции эукариотической клетки? На этот вопрос ответить непросто, так как мы не знаем никаких промежуточных форм, существовавших на ранних этапах развития эукариот от прокариотического предка. Однако определенные сведения об этих древнейших этапах можно получить, анализируя и сравнивая геномы современных эукариот и прокариот. Международная группа генетиков решала эту задачу, выбрав для изучения только консервативные семейства белков и соответствующие им гены. Выделив процессы наследования, дупликации и новообразования, ученые обрисовали вероятный сценарий становления эукариот. Асгардархейный предок, гены которого чаще других дуплицировались и становились источником полезных инноваций, стал, по всей видимости, хозяином эндосимбионта (родственного альфа-протеобактериям), который со временем трансформировался в митохондрии. Гены бактерий различных линий внесли наибольший вклад в организацию метаболизма эукариот.

Становление эукариотической клетки представляется сейчас в виде модели, основанной на симбиогенезе. Одним из важных шагов в понимании этого процесса было открытие асгардархей (Asgardarchaeota, см. также новость Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот, «Элементы», 16.01.2017) — особой группы архей, обитающих в настоящее время в районах глубоководных черных и белых курильщиков. Предполагается, что именно эти организмы могли некогда «приручить» альфа-протеобактерий, превратив их сначала из добрых и полезных соседей в эндосимбионтов, а затем и в клеточные органеллы митохондрии, при этом встроив часть их генов в собственный ядерный геном.

Ясно, что эта гипотетическая модель нуждается в подтверждении и детализации. Но как можно выявить детали, если промежуточных форм, демонстрирующих ход этого процесс, не осталось или они не известны? Группа специалистов по геномике, обновив имеющуюся информацию по геномам различных организмов, использовали один из возможных путей решения данной задачи.

Они рассуждали следующим образом. В ходе симбиогенеза геном эукариотической клетки формировался, во-первых, за счет генов предковых прокариот, во-вторых, за счет горизонтального переноса, в-третьих, шла дупликация полученных генов и их дальнейшая перенастройка, и наконец, изобретались новые гены (рис. 2). Если из всего этого набора выбрать такие гены, которые в том или ином виде присутствуют во всех линиях современных эукариот в достаточном количестве, то этот набор будет представлять геном последнего общего предка эукариот (LECA). Далее в этом наборе следует обратить особое внимание на дуплицированные гены, потому что если уж мы видим результат дупликации у LECA, то можно быть уверенными, что событие дупликации произошло задолго до точки разветвления эукариот. Таким образом, авторы исследования сосредоточились на консервативных генах, на их происхождении и истории их дупликаций: какие именно консервативные гены, с какими функциями и в каких клеточных структурах, и когда именно были получены эукариотической клеткой и как они дуплицировались.

Рис. 2. Схема становления эукариот, показывающая интервал от разделения прокариот с эукариотами и до последнего общего предка эукариот. Четыре различных процесса внесли вклад в формирование генома эукариот: наследование, инновации, дупликации и горизонтальный перенос (его на рисунке нет). Авторы обсуждаемого исследования сфокусировали свое внимание на этом интервале эволюции консервативных генов. Схема из статьи K. Makarova et al., 2005. Ancestral paralogs and pseudoparalogs and their role in the emergence of the eukaryotic cell

Такой подход к исследованию консервативных генов был предложен и опробован при изучении эволюции клеточных органелл (M. Elias et al., 2012. Sculpting the endomembrane system in deep time: high resolution phylogenetics of Rab GTPases). Этот подход дал замечательные результаты, показав, что LECA имел большой геном и был устроен неожиданно сложно. Именно этот результат и вдохновил авторов обсуждаемой работы, и в своем исследовании они расширили массив данных от одного семейства белков (и их генов) до всей совокупности известных белковых семейств. Исключены были лишь белки с небольшими доменами или без них, так информация по ним малополезна при статистических расчетах. Всего получилось 10 233 семейства консервативных белков (12 733 гена), предположительно, составлявших основу генома последнего общего предка эукариот. Авторы подчеркивают, что эти данные существенно полнее использовавшихся ранее: в предыдущих работах (K. Makarova et al., 2005. Ancestral paralogs and pseudoparalogs and their role in the emergence of the eukaryotic cell и L. K. Fritz-Laylin et al., 2010. The Genome of Naegleria gruberi Illuminates Early Eukaryotic Versatility) учитывалось 4133–4137 белковых семейств.

Какие же древние гены у LECA подвергались дупликации? Если рассматривать их функции, то это, в первую очередь, гены, вовлеченные в хранение и обработку информации, клеточную организацию и передачу сигналов в клетке. Гены белков, задействованных в метаболических процессах, дуплицировались гораздо реже (рис. 3). Это подтверждается и локализацией белков, появившихся в результате дупликаций: большинство из них работает в эндомембранных системах и цитоскелете.

Рис. 3. Показатели дупликации в генах белков с различными функциями. Больше всего дупликаций претерпели гены, вовлеченные в построение и функционирование цитоскелета, передачу сигналов через мембраны, организацию работы РНК и внутриклеточное сообщение. Гены, организующие метаболизм, дуплицировались существенно меньше. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Ecology and Evolution

Также важно понять, каков источник генов, которые больше всего дуплицировались. Это, скорее всего, именно те гены, которые были наиболее интересны эукариотической клетке с точки зрения ее новых возможностей и адаптаций. Опять же, на первое место по дупликациям вышли асгардархеи, чуть меньшая тенденция к дупликациям у генов бактериального происхождения и генов других архей. Новоизобретенные эукариотические гены реже проходили дупликацию. А еще меньше — гены, полученные от альфа-протеобактерий, предков митохондрий (рис. 4).

Рис. 4. Доля клад, прошедших хотя бы одну дупликацию до момента дивергенции LECA, от общего числа клад, сформировавших его геном. Хорошо видно, что дупликации подвергались гены белков, полученных от архей, и что в основном это были асгардархеи. График из обсуждаемой статьи в Nature Ecology and Evolution

Опираясь на длину клад (а она оценивалась по филогенетическому расстоянию между сестринскими кладами), прошедших дупликацию, ученые оценили время включения клад разного происхождения в геном эукариот. Самыми древними оказались клады архей, наименее древними — инновации в линии эукариот. Средние значения длины ветвей и соответственно времени присутствия в геноме ранних эукариот характерны для генов бактерий, включая и альфа-протеобактерий.

Из этих данных проступает определенный сценарий становления эукариот. Он не является чем-то неожиданным, так как был предложен раньше, однако теперь он получил хорошую поддержку и верификацию новыми данными. Археи, родственные асгардархеям, послужили основой для развития эукариотической клетки. У них уже присутствовали белки, участвующие в построении сложного цитоскелета, способствующего движению клетки. У них же, по-видимому, уже был налажен транспорт через клеточную мембрану. Авторы отмечают интересную деталь: те гены, которые дуплицировались у ранних эукариот, проходили независимую и более позднюю дупликацию и у архей. Есть немалая вероятность, что эти гены имели предрасположенность к дупликации, столь полно отразившуюся в эволюции генома эукариот. Асгардархейный предок и стал хозяином эндосимбионта из группы альфа-протеобактерий. Этому способствовало наличие у предковых форм гибкой подвижной клеточной мембраны, способной к фагоцитозу, в результате которого альфа-протеобактерии попадали внутрь клетки хозяина. В ходе трансформации нового сожителя в митохондрию происходило быстрое развитие внутриклеточного мембранного комплекса и сигнальной системы внутри клетки. Последние события могли подстегиваться новым более эффективным энергетическим снабжением клетки.

Данная работа не только подтверждает имеющиеся представления о становлении эукариот, но уточняет их, показывая процесс со стороны геномных перестроек.

Источник: Julian Vosseberg, Jolien J. E. van Hooff, Marina Marcet-Houben, Anne van Vlimmeren, Leny M. van Wijk, Toni Gabald?n & Berend Snel. Timing the origin of eukaryotic cellular complexity with ancient duplications // Nature Ecology and Evolution. 2020. DOI: 10.1038/s41559-020-01320-z.

Елена Наймарк