Еукариоти: История на неговия археален произход

Традиционното групиране на форми на живот в прокариоти и еукариоти беше преразгледано през 1977 г., когато характеризирането на последователността на рРНК разкри, че археите (тогава наричани „архебактерии“) са „толкова далечно свързани с бактериите, колкото бактериите са с еукариотите“. Това наложи групирането на живи организми в еубактерии (включващи всички типични бактерии), археи и еукариоти. Остава въпросът за произхода на еукариотите. С течение на времето започнаха да се трупат доказателства в полза на археалния произход на еукариотите. От особен интерес беше откритието, че асгардските археи имат няколко стотици гени на еукариотни сигнатурни протеини (ESP) в своя геном. ESP играят решаваща роля в развитието на характеристиките на цитоскелета и сложните клетъчни структури на еукариотите. В революционно проучване, публикувано на 21 декември 2022 г., изследователите съобщават за успешно култивиране на обогатена култура от неуловими асгардски археи, които са изобразили с помощта на криоелектронна томография. Те наблюдават, че клетките на Асгард наистина имат сложен цитоскелет, базиран на актин. Това беше първото пряко визуално доказателство за археален произход на еукариотите, значителна стъпка в разбирането на произхода на еукариотите.  

До 1977 г. формите на живот на Земята бяха групирани в еукариоти (сложни форми, характеризиращи се с включване на генетични материали на клетката в добре дефинирано ядро ​​и наличие на цитоскелет) и прокариоти (по-прости форми на живот с генетичен материал в цитоплазмата без определено ядро, включително бактерии и архебактерии). Смяташе се, че клетъчните еукариоти еволюира преди около 2 милиарда години, вероятно от прокариотите. Но как точно са възникнали еукариотите? Как сложните клетъчни форми на живот са свързани с по-простите клетъчни форми на живот? Това беше голям отворен въпрос в биологията.  

Технологичният напредък в молекулярната биология на гените и протеините помогна да се навлезе в сърцевината на проблема, когато през 1977 г. беше установено, че археите (тогава наричани „архебактерии“) са „толкова далечно свързани с бактериите, колкото и бактериите еукариоти-По-ранното разграничаване на формите на живот на прокариоти и еукариоти се основава на фенотипни различия на ниво клетъчни органели. Вместо това филогенетичната връзка трябва да се основава на широко разпространена молекула. Рибозомната РНК (рРНК) е една такава биомолекула, която присъства във всички самовъзпроизвеждащи се системи и чиито последователности се променят много малко с времето. Анализът, основан на характеризирането на последователността на рРНК, наложи групирането на живите организми в еубактерии (включващи всички типични бактерии), архибактерии, и еукариоти¹.  

Впоследствие започват да се появяват доказателства за по-тясна връзка между археите и еукариотите. През 1983 г. беше установено, че ДНК-зависимите РНК полимерази на археи и еукариоти са от същия тип; и двете показват поразително сходни имунохимични свойства и двете произлизат от обща структура на предците². Въз основа на изведено съставно филогенетично дърво на протеинова двойка, друго проучване, публикувано през 1989 г., разкрива по-тясна връзка на археите с еукариотите, отколкото с еубактериите³. По това време археалният произход на еукариоти е установен, но точните археални видове остават да бъдат идентифицирани и проучени.  

Ръст в геномните изследвания след успех в геномен проект, осигури така необходимото запълване на тази област. Между 2015-2020 г. няколко проучвания установиха, че Асгард архибактерии носят еукариотни специфични гени. Техните геноми са обогатени с протеини, считани за специфични за еукариотите. Тези проучвания ясно идентифицираха асгардските археи, които имат най-близка генетична близост до еукариотите по силата на присъствието на стотици гени на еукариотни сигнатурни протеини (ESP) в техния геном.  

Следващата стъпка беше да се визуализира физически структурата на вътрешната изба на археите в Асгард, за да се потвърди ролята на ESP, тъй като е широко разпространено мнението, че ESP играят ключова роля във формирането на сложни клетъчни структури. За това бяха необходими силно обогатени култури от тази архея, но Асгард е известен като неуловим и мистериозен. причинявайки трудности при култивирането в достатъчно големи количества, за да ги изследвате в лаборатория. Според проучване, докладвано наскоро на 21 декември 2022 г., тази трудност вече е преодоляна.  

След шест години усилена работа изследователите са импровизирали техники и успешно са култивирали в лаборатория силно обогатена култура на "Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', член на групата Асгард. Това беше забележително постижение, също и защото позволи на изследователите да визуализират и проучат вътрешните клетъчни структури на Асгард.    

Използвана е криоелектронна томография за изобразяване на културата на обогатяване. Клетките на Асгард имаха кокоидни клетъчни тела и мрежа от разклонени издатини. Структурата на клетъчната повърхност е сложна. Цитоскелетът се простира в клетъчните тела. Усуканите двойноверижни нишки съдържат Локиактин (т.е. актинови хомолози, кодирани от Lokiarchaeota). По този начин клетките на Асгард имат сложен цитоскелет, базиран на актин, който според изследователите предшества еволюцията на първия еукариоти.  

Като първото конкретно физическо/визуално доказателство за археален произход на еукариотите, това е забележителен напредък в биологията.

*** 

Литература:  

1. Woese CR и Fox GE, 1977. Филогенетична структура на прокариотния домейн: първичните царства. Публикувано ноември 1977 г. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Huet, J., и др 1983. Архебактериите и еукариотите притежават ДНК-зависими РНК полимерази от общ тип. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Ивабе, Н., и др 1989. Еволюционна връзка на архебактерии, еубактерии и еукариоти, изведена от филогенетични дървета на дублирани гени. Proc. Natl Acad. Sci. САЩ 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Родригес-Оливейра, Т., и др. 2022. Актинов цитоскелет и сложна клетъчна архитектура в археон от Асгард. Публикувано: 21 декември 2022 г. Природа (2022 г.). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***