Происхождение эукариот

Эукариотическая клетка
Эукариотическая клетка

Выводы из анализа белковых гомологий в трех надцарствах живой природы

Проанализировано распределение белковых доменов, внесенных в 15-ую версию базы данных Pfam (август 2004 г.), в трех надцарствах: Archaea, Bacteria и Eykaryota. По-видимому, из общего числа белковых доменов эукариот почти половина была унаследована от прокариотических предков. От архей эукариоты унаследовали наиболее важные домены, связанные с информационными процессами нуклеоцитоплазмы (репликацией, транскрипцией, трансляцией). От бактерий унаследована значительная часть доменов, связанных с базовым метаболизмом и с сигнально-регуляторными системами. По-видимому, многие сигнально-регуляторные домены, общие для бактерий и эукариот, у первых выполняли синэкологические функции (обеспечение взаимодействия клетки с другими компонентами прокариотного сообщества), а у вторых стали использоваться для обеспечения согласованной работы клеточных органелл и отдельных клеток многоклеточного организма. Многие эукариотические домены бактериального происхождения (в том числе «синэкологические») не могли быть унаследованы от предков митохондрий и пластид, а были заимствованы у других бактерий. Предложена модель становления эукариотической клетки путем ряда последовательных симбиогенетических актов. Согласно этой модели, предком ядерно-цитоплазматического компонента эукариотической клетки была архея, у которой в условиях кризиса, вызванного ростом концентрации свободного кислорода в прокариотном сообществе, резко активизировался процесс инкорпорации чужеродного генетического материала из внешней среды.

 

Симбиогенетическая теория происхождения эукариот является сейчас практически общепризнанной. Вся совокупность молекулярно-генетических, цитологических и иных данных свидетельствует о том, что эукариотическая клетка сформировалась путем слияния в единый организм нескольких прокариот. Появлению эукариотической клетки должен был предшествовать более или менее длительный период коэволюции ее будущих компонентов в одном микробном сообществе, в течение которого между видами складывалась сложная система взаимоотношений и связей, необходимая для координации различных аспектов их жизнедеятельности. Молекулярные механизмы, развившиеся в ходе формирования этих синэкологических связей, могли сыграть важную роль в последующем процессе объединения нескольких прокариот в единую клетку. Появление эукариот («эукариотическую интеграцию») следует рассматривать как конечный результат длительного развития интеграционных процессов в прокариотном сообществе (Марков, в печати). Конкретные механизмы эукариотической интеграции, ее детали и последовательность событий, а также условия, в которых она могла протекать, остаются во многом неясными.

Общепризнано, что в формировании эукариотической клетки приняли участие как минимум три прокариотических компонента: «ядерно-цитоплазматический», «митохондриальный» и «пластидный».

 

Ядерно-цитоплазматический компонент (ЯЦК)

Наиболее трудной задачей является идентификация ядерно-цитоплазматического компонента. По-видимому, ведущую роль в его формировании сыграли археи (Archaea). Об этом свидетельствует присутствие типично архейных черт в важнейших структурных и функциональных системах ядра и цитоплазмы эукариот. Черты сходства прослеживаются в организации генома (интроны), в базовых механизмах репликации, транскрипции и трансляции, в строении рибосом (Margulis, Bermudes, 1985; Slesarev et al., 1998; Ng et al., 2000; Cavalier-Smith, 2002). Отмечено, что молекулярные системы нуклеоцитоплазмы эукариот, связанные с обработкой генетической информации, имеют преимущественно архейное происхождение (Gupta, 1998). Однако не ясно, какие именно архебактерии дали начало ЯЦК, какую экологическую нишу они занимали в «предковом сообществе», как и почему они приобрели митохондриального эндосимбионта.

В строении нуклеоцитоплазмы эукариот, помимо архейных и специфически эукариотных черт, присутствуют и бактериальные. Для объяснения этого факта предложен ряд гипотез. Некоторые авторы полагают, что указанные черты являются следствием приобретения бактериальных эндосимбионтов (митохондрий и пластид), многие гены которых переместились в ядро, а белки стали выполнять различные функции в ядре и цитоплазме (Gabaldon, Huynen, 2003). Приобретение митохондрий часто рассматривается как ключевой момент в становлении эукариот, предшествовавший возникновению ядра или произошедший одновременно с ним. Это мнение подкрепляется молекулярными данными, указывающими на монофилетическое происхождение митохондрий всех эукариот (Dyall, Johnson, 2000; Литошенко, 2002). При этом нынеживущие безмитохондриальные эукариоты интерпретируются как потомки форм, имевших митохондрии, поскольку в их ядерных геномах присутствуют гены предположительно митохондриального происхождения (Vellai et al., 1998; Vellai, Vida, 1999; Gray et al., 1999).

Альтернативная точка зрения состоит в том, что ЯЦК представлял собой химерный организм архейно-бактериальной природы еще до приобретения митохондрий. По одной из гипотез, ЯЦК образовался в результате уникального эволюционного события – слияния археи с протеобактерией (возможно, фотосинтетиком, близким к Chlorobium). Образовавшийся симбиотический комплекс получил от археи устойчивость к естественным антибиотикам, а от протеобактерии – аэротолерантность. Клеточное ядро образовалось у этого химерного организма еще до инкорпорации митохондриального симбионта (Gupta, 1998). Другой вариант «химерной» теории предложен В.В.Емельяновым (Emelyanov, 2003), по мнению которого клетка-хозяин, принявшая в себя митохондриального эндосимбионта, представляла собой прокариотический безъядерный организм, образовавшийся путем слияния архебактерии с эубактерией-бродильщиком, причем базовый энергетический метаболизм этого организма имел эубактериальную природу (гликолиз, брожение). Согласно третьему варианту «химерной» теории, ядро появилось одновременно с ундулиподиями (эукариотическими жгутиками) в результате симбиоза археи со спирохетой, причем это событие произошло раньше приобретения митохондриальных симбионтов. Безмитохондриальные простейшие не обязательно происходят от предков, имевших митохондрии, а бактериальные гены в их геноме могли появиться в результате симбиоза с другими бактериями (Margulis et al., 2000; Dolan et al., 2002). Есть и другие вариации «химерной» теории (Lуpez-Garcia, Moreira, 1999).

Наконец, наличие в нуклеоцитоплазме эукариот многих уникальных черт, не свойственных ни бактериям, ни археям, легло в основу еще одной гипотезы, согласно которой предок ЯЦК относился к «хроноцитам» - гипотетической вымершей группе прокариот, одинаково далекой и от бактерий, и от архей (Hartman, Fedorov, 2002).

 

Митохондриальный компонент

Значительно больше ясности в вопросе о природе митохондриального компонента эукариотической клетки. Его предком, по мнению большинства авторов, были альфапротеобактерии (к которым относятся, в частности, пурпурные бактерии, осуществляющие бескислородный фотосинтез и окисляющие сероводород до сульфата). Так, недавно было показано, что митохондриальный геном дрожжей наиболее близок к геному пурпурной несерной альфапротеобактерии Rhodospirillum rubrum (Esser et al., 2004). Электронно-транспортная цепь, изначально сформировавшаяся у этих бактерий как часть фотосинтетического аппарата, впоследствии стала использоваться для кислородного дыхания.

На основе сравнительной протеомики недавно составлена реконструкция метаболизма «протомитохондрии» - гипотетической альфапротеобактерии, давшей начало митохондриям всех эукариот. Согласно этим данным, предок митохондрий был аэробным гетеротрофом, получавшим энергию за счет кислородного окисления органики и обладавшим полностью сформированной электронно-транспортной цепью, но нуждавшимся в поступлении многих важнейших метаболитов (липидов, аминокислот, глицеролов) извне. Об этом свидетельствует, помимо прочего, наличие у реконструированной «протомитохондрии» большого количество молекулярных систем, служащих для транспортировки указанных веществ через мембрану (Gabaldуn, Huynen, 2003). Главным стимулом объединения ЯЦК с протомитохондрией, согласно большинству гипотез, была потребность анаэробного ЯЦК защититься от токсического действия молекулярного кислорода. Приобретение симбионтов, утилизирующих этот ядовитый газ, позволило успешно решить данную проблему (Kurland, Andersson, 2000).

Есть и другая гипотеза, согласно которой протомитохондрия была факультативным анаэробом, способным к кислородному дыханию, но при этом производившим молекулярный водород как побочный продукт брожения (Martin, Muller, 1998). Клеткой-хозяином в этом случае должна была стать метаногенная хемоавтотрофная анаэробная архея, нуждающаяся в водороде для синтеза метана из углекислого газа. Гипотеза основывается на существовании у некоторых одноклеточных эукариот так называемых гидрогеносом – органелл, производящих молекулярный водород. Хотя гидрогеносомы не имеют собственного генома, некоторые их свойства указывают на родство с митохондриями (Dyall, Johnson, 2000). Тесные симбиотические ассоциации между метаногенными археями и выделяющими водород протеобактериями весьма распространены в современной биоте, и, очевидно, были распространены и в прошлом, поэтому, если бы «водородная» гипотеза была верна, можно было бы ожидать многократного, полифилетического возникновения эукариот. Однако молекулярные данные свидетельствуют об их монофилии (Gupta, 1998). «Водородной» гипотезе противоречит и тот факт, что специфические белковые домены архей, связанные с метаногенезом, не имеют гомологов у эукариот. Большинство авторов считают «водородную» гипотезу происхождения митохондрий несостоятельной. Гидрогеносомы, скорее всего, являются позднейшей модификацией обычных митохондрий, осуществлявших аэробное дыхание (Gupta, 1998; Kurland, Andersson, 2000; Dolan et al., 2002).

 

Пластидный компонент

Предками пластид были цианобактерии. Согласно последним данным, пластиды всех водорослей и высших растений имеют монофилетическое происхождение и возникли в результате симбиоза цианобактерии с уже имевшей митохондрии эукариотической клеткой (Martin, Russel, 2003). Произошло это предположительно от 1,5 до 1,2 млрд. лет назад. При этом были использованы многие из тех интеграционных молекулярных систем (сигнальных, транспортных и др.), которые к тому времени уже сформировались у эукариот для обеспечения взаимодействия между ядерно-цитоплазматическим и митохондриальным компонентами (Dyall et al., 2004). Любопытно, что некоторые ферменты цикла Кальвина (ключевой метаболитический путь фотосинтеза), функционирующие в пластидах, имеют протеобактериальное, а не цианобактериальное происхождение (Martin, Schnarrenberger, 1997). По-видимому, гены этих ферментов происходят от митохондриального компонента, чьи предки тоже когда-то были фотосинтетиками (пурпурные бактерии).

 

Возможности сравнительной геномики и протеомики в исследовании происхождения эукариот

Сравнительный анализ геномных и протеомных данных открывает большие возможности для реконструкции процессов «эукариотической интеграции».

В настоящее время собраны и находятся в открытом доступе (в интернете) многочисленные и в значительной степени систематизированные данные по белковым и нуклеотидным последовательностям многих организмов, включая представителей всех трех надцарств: Archaea, Bacteria и Eukaryota. Такие базы, как COGs
(Phylogenetic classification of proteins encoded in complete genomes; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG/ ), SMART (Simple Modular Architecture Research Tool; http://smart.embl-heidelberg.de/ )Pfam (Protein Domain Families Based on Seed Alignments;http://pfam.wustl.edu/index.html )NCBI-CDD http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/cdd.shtml ) и другие предоставляют множество инструментов для поиска и сравнения полнотекстовых последовательностей белков и кодирующих их генов. Сравнения последовательностей осуществляются как у представителей одного вида, так и между разными таксонами.

Используя эти данные и аналитические инструменты, представляется возможным собрать и систематизировать достаточно массовый материал, который позволит установить, какие конструктурные и функциональные подсистемы эукариотической клетки были унаследованы от Archaea, какие – от Bacteria, а какие появились позже и являются уникальными для Eukaryota. В ходе подобного анализа можно также получить новые данные, касающиеся конкретных групп бактерий и архей, которые с наибольшей вероятностью могли участвовать в формировании первичной эукариотической клетки.

 

Соотношение общих и уникальных белковых доменов у архей, бактерий и эукариот

В настоящей работе отражены результаты анализа функциональных спектров и таксономической приуроченности белковых доменов, включенных в 15-ую версию системы Pfam (версия опубликована в интернете 20 августа 2004 г.). Данная система, представляющая собой наиболее полный систематизированный каталог такого рода, в настоящее время включает 7503 белковых домена.

Понятие «белковый домен» тесно связано с активно разрабатывающейся в настоящее время естественной классификацией белков. Домен – это более или менее консервативная последовательность аминокислот (или т.н. «мотив» - последовательность, включающая чередующиеся консервативные и вариабельные фрагменты), присутствующая в нескольких (обычно во многих) белковых молекулах у разных организмов. Большинство доменов, включенных в систему Pfam, характеризуются строго определенной функцией и представляют собой, таким образом, функциональные блоки белковых молекул (например, ДНК-связывающие домены или каталитические домены ферментов). Функция некоторых доменов до настоящего времени остается неизвестной, но консервативность и характер распространения этих последовательностей позволяет предполагать, что они также обладают функциональным единством. Предполагается, что подавляющее большинство доменов представляют собой гомологичные последовательности (т.е. имеющие единое происхождение, а не возникавшие параллельно в разных ветвях эволюционного древа). Об этом свидетельствует значительная длина этих последовательностей, а также тот факт, что почти любая функция (каталитическая, сигнальная, структурная и др.) может быть реализована многими разными комбинациями аминокислот,  поэтому в случае параллельного возникновения функционально схожих блоков в белковых молекулах у разных организмов факт независимого происхождения, как правило, достаточно очевиден.

Белки объединяются в семейства на основании присутствия в них общих доменов, поэтому понятия «семейство белков» и «домен» в системе Pfam во многом совпадают.

На основе данных из системы Pfam было определено количественное распределение доменов по трем надцарствам живой природы (Archaea, Bacteria, Eukaryota):


Рис. 1. Количественное соотношение общих и уникальных белковых доменов у архей, бактерий и эукариот. Площади фигур примерно пропорциональны числу доменов.

Всего в 15-ой версии Pfam присутствует 4474 эукариотных домена, которые можно подразделить на 4 группы:

1) Специфические домены эукариот, не встречающиеся в двух других надцарствах (2372);

2) Домены, присутствующие у представителей всех трех надцарств (1157);

3) Домены, общие для эукариот и бактерий, но отсутствующие у архей (831);

4) Домены, общие для эукариот и архей, но отсутствующие у бактерий (114).

 

Наибольшее внимание в последующем обсуждении уделено доменам третьей и четвертой групп, поскольку их таксономическая приуроченность позволяет с определенной долей вероятности говорить об их происхождении. По-видимому, значительная часть доменов третьей группы унаследована эукариотами от бактерий, четвертой – от архей.

В отдельных случаях общность доменов в разных надцарствах может быть связана с позднейшим горизонтальным переносом, но тогда у надцарства-«реципиента», скорее всего, данный домен будет встречаться лишь у одного или немногих представителей. Такие случаи действительно есть. По сравнению с предыдущей, 14-ой версией Pfam в новой, 15-ой версии целый ряд сугубо бактериальных доменов переместился в третью группу по той причине, что соответствующие последовательности были обнаружены в недавно «расшифрованных» геномах отдельных эукариот (в особенности комара Anopheles gambiae и простейшего Plasmodium yoelii). Присутствие в геноме малярийного комара генов, кодирующих белки бактериальных жгутиков (притом, что ни у каких других эукариот эти последовательности не обнаружены), естественно, наводит на мысль о горизонтальном переносе. Подобные домены в дальнейшем обсуждении не учитывались (в третьей группе их около 40, в четвертой группе они отутствуют).

 

Количественное соотношение общих и уникальных доменов в трех надцарствах, казалось бы, говорит о решительном преобладании в эукариотической клетке «бактериального» компонента по сравнению с «архейным» (у эукариот присутствует 831 «бактериальный» домен и 114 «архейных»). Аналогичные результаты получены недавно в ходе сравнительного анализа геномов дрожжей и различных прокариот: оказалось, что 75% от общего числа ядерных генов дрожжей, имеющих прокариотические гомологи, более сходны с бактериальными, чем с архейными последовательностям (Esser et al., 2004). Этот вывод, однако, становится не столь очевидным, если сопоставить упомянутые цифры с суммарным числом общих и уникальных доменов в двух надцарствах прокариот. Так, из общего числа бактериальных доменов, не встреченных у архей (2558), в эукариотические клетки перешел 831, что составляет 32.5%. Из общего числа архейных доменов, не встречающихся у бактерий (224), в эукариотических клетках обнаружено 114, то есть 48.7%. Таким образом, если представить себе формирующуюся эукариотическую клетку как систему, способную к свободному выбору тех или иных белковых блоков из имеющегося набора, то следует признать, что она отдавала предпочтение архейным доменам.

Еще более очевидной становится значительная роль архейного компонента в становлении эукариот, если сравнить «функциональные спектры» (распределение по функциональным группам) и физиологическое значение эукариотических доменов «архейного» и «бактериального» происхождения.

 

Функциональный спектр эукариотических доменов «архейного» происхождения

Первое, что бросается в глаза при просмотре описаний доменов этой группы, это высокая встречаемость таких слов и фраз, как «essential» (ключевой, жизненно важный) и «plays a key role» (играет ключевую роль). В аннотациях доменов из других групп подобные указания встречаются на порядок реже.

В данной группе резко преобладают домены, связанные с самыми базовыми, центральными процессами жизни клетки, а именно с процессами хранения, воспроизведения, структурной организации и считывания генетической информации. Сюда относятся ключевые домены, ответственные за механизм репликации (домены ДНК-примазы и т.п.), транскрипции (включая 7 доменов ДНК-зависимых РНК-полимераз), трансляции (большой набор рибосомных белков, домены, связанные с биогенезом рибосом, факторы инициации и элонгации и т.д.), а также с различными модификациями нуклеиновых кислот (включая процессинг рРНК в ядрышке)  и с их организацией в ядре (гистоны и другие белки, связанные с организацией хромосом). Заметим, что недавно проведенный детальный сравнительный анализ всех известных белков, связанных с транскрипцией, показал, что у архей обнаруживается больше сходства с эукариотами, чем у бактерий (Coulson et al., 2001, fig.1b).

Представляют интерес 6 доменов, связанных с синтезом (посттранскрипционными модификациями) тРНК. Химические изменения, вносимые специальными ферментами в нуклеотиды тРНК, являются одним из важнейших средств адаптации к высоким температурам (они позволяют тРНК сохранять правильную третичную структуру при нагревании). Показано, что число измененных нуклеотидов в тРНК термофильных архей растет при повышении температуры (Noon et al., 2003). Сохранение этих архейных доменов у эукариот, возможно, указывает на то, что температурные условия в местообитаниях первых эукариот были нестабильными (существовала опасность перегрева), что характерно для мелководных местообитаний.

Сигнально-регуляторных доменов сравнительно немного, но среди них – такие важные, как транскрипционный фактор TFIID (TATA-связывающий белок, PF00352), домены транскрипционных факторов TFIIB, TFIIE, TFIIS (PF00382, PF02002, PF01096), - регуляторы транскрипции общего назначения, играющие центральную роль в активации генов, транскрибируемых РНК-полимеразой II. Интересен также домен CBFD_NFYB_HMF (PF00808): у архей это гистон, а у эукариот – гистоноподобный транскрипционный фактор.

Особо следует отметить эукариотные домены «архейного происхождения», связанные с мембранными пузырьками. К ним относится домен Adaptin N (PF01602), связанный у эукариот с эндоцитозом; Aromatic-di-Alanine (AdAR) repeat (PF02071), у эукариот участвующий в процессе слияния мембранных пузырьков с цитоплазматической мембраной и обнаруженный у двух видов архей из рода Pyrococcus; Syntaxin (PF00804), у эукариот регулирующий, в частности, присоединение внутриклеточных мембранных пузырьков к пресинаптической мембране нейронов и обнаруженный у аэробных архей рода Aeropyrum, и др. Среди «доменов бактериального происхождения» белки с такими функциями отсутствуют. Домены, управляющие слиянием мембран и образованием пузырьков, могли сыграть важную роль в симбиогенетическом становлении эукариотической клетки, поскольку создают базу для развития фагоцитоза (наиболее вероятный путь приобретения внутриклеточных симбионтов – пластид и митохондрий), а также для слияния клеток (копуляции) и образования различных внутриклеточных мембранных структур, свойственных эукариотам, таких как эндоплазматический ретикулум (ЭР). ЭР эукариот, согласно одной из гипотез, имеет архебактериальное происхождение (Dolan et al., 2002). Предположение основывается, в частности, на сходстве синтеза N-связанных гликанов в ЭР с определенными этапами формирования клеточной стенки у архей (Helenius, Aebi, 2001). Напомним, что ЭР эукариот тесно связан с ядерной оболочкой, что позволяет предполагать единый генезис этих структур.

Следует обратить внимание также на практически полное отсутствие в этой группе метаболитических доменов (что представляет резкий контраст с группой эукариотных «доменов бактериального происхождения», где метаболитические белки, напротив, резко преобладают).

С точки зрения проблемы возникновения эукариот представляют интерес такие домены архейного происхождения, как  ZPR1 zinc-finger domain (PF03367) (у эукариот  этот домен входит в состав множества ключевых регуляторных белков, особенно тех, которые отвечают за взаимодействие между ядерными и цитоплазматическими процессами), и zf-RanBP (PF00641), являющийся у эукариот одим из важнейших компонентов ядерных пор (отвечает за транспорт веществ через ядерную мембрану).

Все 28 доменов рибосомальных белков архейного происхождения присутствуют в составе цитоплазматических рибосом эукариот, причем все они обнаруживаются как у растений, так и у животных. Этой картине хорошо соответствует тот факт, что домен NOG1, обладающий специфической ГТФ-азной активностью и используемый вспомогательными белками ядрышкого организатора (кластеры генов рРНК) также имеет архейное происхождение.

Таблица. Сравнение функциональных спектров эукариотических доменов, имеющихся или отсутствующих у архей (А), цианобактерий (Ц), альфапротеобактерий (П) и бактерий в целом, включая Ц и П (Б).

Функциональная группа

Есть у А, нет у Б

Есть у Б, нет у А

Есть у Ц или П, нет у А

Есть у Б, нет у А, Ц и П

Синтез белка

47

57

54

3

    В том числе: рибосомные и связанные с биогенезом рибосом

30

27

26

1

Трансляция

10

11

11

0

Синтез, модификация тРНК

6

3

3

0

Посттрансляционные модификации белков

1

18

16

2

Репликация, транскрипция, модификация и организация НК

35

52

37

15

В том числе: базовая репликация и транскрипция

13

20

18

2

Гистоны и другие белки, организующие ДНК в хромосомах

5

2

0

2

Модификация НК (нуклеазы, топоизомеразы, геликазы и т.д.)

15

21

15

6

Репарация, рекомбинация

3

9

9

0

НК-связывающие домены неясной функции или общего назначения

6

9

4

5

Белки, связанные с образованием и функционированием мембранных пузырьков

4

0

0

0

Транспортные и сортировочные белки

4

43

31

12

Сигнальные и регуляторные белки

11

142

74

68

В том числе: транскрипционные факторы (регуляция экспрессии генов)

6

13

8

5

Рецепторы

0

13

7

6

Домены межклеточного взаимодействия

0

9

6

3

Домены межбелкового взаимодействия

0

13

10

3

Домены связи белка с мембраной

0

2

1

1

Защитные и связанные с иммунной системой

0

12

5

7

Связанные с вирулентностью патогенных бактерий и простейших

0

10

7

3

Регуляция онтогенеза

0

10

6

4

Домены, связанные с гормонами

0

3

2

1

Токсины

0

2

0

2

Апоптоз

0

1

0

1

Регуляция репликации

0

3

0

3

Лектины (белки, образующие комплексы с углеводами)

0

11

3

8

Прочие сигнальные и регуляторные белки

5

56

33

23

Белки, связанные с цитоскелетом, микротрубочками

1

4

2

2

Белки, связанные с клеточным делением

1

6

4

2

Метаболизм

2

318

251

67

В том числе: кислородное окисление (оксигеназы, пероксидазы и т.п.)

0

19

15

4

Метаболизм стероидов, терпенов

0

8

4

4

Метаболизм нуклеотидов и азотистых оснований

0

12

7

5

Метаболизм углеводов

1

93

58

35

Метаболизм липидов

0

18

15

3

Метаболизм аминокислот

0

24

19

5

Метаболизм белков (пептидазы, протеазы и пр.)

0

30

24

6

Фотосинтез, дыхание, цепь переноса электронов

0

52

51

1

Прочая базовая энергетика (АТФ-синтазы, НАД-Н дегидрогеназы и пр.)

0

4

4

0

Другие метаболитические домены

1

65

58

7


Рис. 2. Функциональные спектры «архейных» и «бактериальных» доменов эукариот. 1 – Синтез белка, 2 - Репликация, транскрипция, модификация и организация НК, 3 - Сигнальные и регуляторные белки, 4 - Белки, связанные с образованием и функционированием мембранных пузырьков, 5 - Транспортные и сортировочные белки, 6 – Метаболизм

 

 

Функциональный спектр эукариотических доменов «бактериального» происхождения

Домены, связанные с базовыми информационными процессами (репликация, транскрипция, процессинг РНК, трансляция, организация хромосом и рибосом и т.д.) в этой группе тоже присутствуют, но их относительная доля значительно меньше, чем у «архейных» доменов (рис. 2). Большая их часть либо имеет второстепенное значение, либо связана с информационными процессами в органеллах (митохондриях и пластидах). Так, например, среди эукариотных доменов архейного происхождения присутствует 7 доменов ДНК-зависимых РНК-полимераз (базовый механизм транскрипции), тогда как в бактериальной группе таких доменов только два (PF00940 и PF03118), причем первый из них связан с транскрипцией митохондриальной ДНК, а второй – пластидной. Другой пример: домен PF00436 (Single-strand binding protein family) у бактерий входит в состав многофункциональных белков, играющих важную роль в репликации, репарации и рекомбинации; у эукариот данный домен участвует только в репликации митохондриальной ДНК.

Очень показательна ситуация с рибосомными белками. Из 24 эукариотических доменов рибосомных белков, имеющих бактериальное происхождение, 16 присутствуют в рибосомах митохондрий и пластид, 7 – только в пластидах, еще по одному домену нет данных о локализации в клетках эукариот. Таким образом, бактерии – участники эукариотической интеграции, по-видимому, не внесли практически ничего в структуру цитоплазматических рибосом эукариот.

Среди доменов бактериального происхождения значительно выше доля сигнально-регуляторных белков. Однако, если среди немногочисленных регуляторных доменов архейного происхождения преобладают базовые регуляторы транскрипции общего назначения (фактически, они не столько регулируют, сколько организуют процесс), то в бактериальной группе преобладают сигнально-регуляторные домены, ответственные за конкретные механизмы реагирования клетки на факторы внешней среды (биотические и абиотические). Эти домены определяют то, что можно образно назвать «экологией клетки». Их можно условно подразделить на «аутэкологические» и «синэкологические», причем широко представлены как те, так и другие.

К «аутэкологическим» доменам, отвечающим за адаптацию клетки к внешним абиотическим факторам, можно отнести, в частности домены хит-шоковых белков (отвечают за выживание клетки в условиях перегрева), такие как HSP90 - PF00183. Сюда же относятся всевозможные белки-рецепторы (Receptor L domain - PF01030, Low-density lipoprotein receptor repeat class B - PF00058 и мн. др.), а также защитные белки, например, связанные с защитой клетки от ионов тяжелых металлов (TerC - PF03741), от других токсичных веществ (Toluene tolerance, Ttg2 - PF05494), от оксидативного стресса (Indigoidine synthase A - PF04227) и мн. др.

«Синэкологические» домены отвечают у бактерий за взаимодействие с другими представителями прокариотного сообщества, а также с клетками эукариот (например, у паразитических бактерий это домены, связанные с вирулентностью, механизмами проникновения в организм хозяина и т.д.) (MCE - PF02470, MAC/Perforin domain - PF01823, Necrosis inducing protein (NPP1) - PF05630, Leishmanolysin - PF01457 и др.). У эукариот подобные «синэкологические» бактериальные домены часто играют важную роль в функционировании иммунной системы, а также в осуществлении межклеточных взаимодействий внутри многоклеточного организма. Так, например, MAC/Perforin domain – компонент комплекса «мембранной атаки», вызывающего разрушение мембраны атакуемой клетки. У эукариот он функционирует в клетках иммунной системы – Т-лимфоцитах и клетках-киллерах; у патогенных бактерий служит для проникновения в клетки хозяина.

Сохранение у эукариот многих бактериальных доменов «экологического» характера подверждает высказанное ранее предположение о том, что многие интегрирующие механизмы, обеспечивающие целостность и согласованную работу частей эукариотической клетки (прежде всего – сигнальные и регуляторные каскады), начали развиваться задолго до того, как эти части реально объединились под одной клеточной мембраной. Изначально они формировались как механизмы, обеспечивающие целостность микробного сообщества (Марков, в печати).

Интересны домены бактериального происхождения, участвующие у эукариот в регуляции онтогенеза или клеточно-тканевой дифференциации (например, Sterile alpha motif - PF00536; TIR domain - PF01582; jmjC domain - PF02373 и др.). Сама «идея» онтогенеза многоклеточных эукариот основана, прежде всего, на способности клеток при неизменном геноме менять свою структуру и свойства в зависимости от  внешних и внутренних факторов. Эта способность к адаптивным модификациям зародилась еще в сообществах прокариот и служила изначально для адаптации бактерий к меняющимся биотическим и абиотическим факторам.

Показателен также анализ происхождения такого значимого для эукариот домена, как Ras. Белки Ras-суперсемейства являются важнейшими участниками сигнальных каскадов в клетках эукариот, осуществляя передачу сигнала от рецепторов, как протеинкиназных, так и связанных с G-белками, на нерецепторные киназы – участники MAPK-киназного каскада к транскрипционным факторам, на фосфатидилинозитол-киназу ко вторичным мессенджерам, контролирующим стабильность цитоскелета, активность ионных каналов и другие жизненно важные клеточные процессы. Один из важнейших мотивов Ras-домена, Р-петля с ГТФ-азной активностью, известен в составе доменов Elongation factor Tu GTP binding (GTP_EFTU) и родственного ему COG0218 и широко представлен как у бактерий, так и у архей. Тем не менее, эти домены принадлежат высокомолекулярным ГТФ-азам, и не имеют отношения к цитоплазматической передаче сигнала.

Формально Ras-домен относится к числу общих для архей, бактерний и эукариот. Однако, если у последних он встречается в огромном количестве высокоспециализированных сигнальных белков, то в геномах бактерий и архей наблюдаются единичные случаи его обнаружения. В геноме бактерий домен Ras идентифицирован у протеобактерий и цианобактерий, в составе низкомолекулярных пептидов. При этом структура двух пептидов сходна со структурой Ras-белков эукариот, а один из белков Anabaena sp. несет дополнительно домен LRR1(Leucine Rich Repeat), участвующий в межбелковых взаимодействиях. В геноме архей Ras-домен обнаружен у эуархеот Methanosarcinaceae (Methanosarcina acetivorans) и Methanopyraceae (Methanopyrus kandleri AV19). Оказывается, что у Methanosarcina acetivorans Ras-домен также расположен рядом с доменом LRR1, не обнаруженным пока в других белках архей, и известным у эукариот и бактерий, в том числе и в вышеупомянутом Ras-белке цианобактерий. У Methanopyrus kandleri AV19 Ras домен расположен рядом с доменом COG0218, свидетельствующем о иных по сравнению с Ras-белками функциях данного белка. Эти факты дают основание предполагать вторичность появления у метанообразующих архей доменов Ras и LRR1 и первичное формирование и специализацию Ras-домена у бактерий.

Особую группу составляют транспортные домены, большинство из которых связаны с мембранным транспортом различных низко- и высокомолекулярных соединений. Многие из этих доменов в мире бактерий играют первостепенную роль во  взаимодействии клетки с внешней средой, в том числе и в обеспечении синэкологических связей в бактериальном сообществе. У эукариот эти домены отвечают, помимо прочего, за взаимодействие клеточных компонентов. Например, домен Tim44 – PF04280 у эукариот играет ключевую роль в транспортировке митохондриальных белков, кодируемых ядерными генами, через внутреннюю мембрану митохондрий. Домен GUN4 - PF05419 участвует в передаче сигналов от пластид к ядру. Потенциальная ценность подобных доменов для «эукариотической интеграции» очевидна. Интересен домен TLC ATP/ADP transporter -PF03219,  осуществляющий мембранный транспорт АТФ. У внутриклеточных паразитов риккетсий он служит для «выкачивания» АТФ из клетки-хозяина, а у эукариот этот и родственные ему белки служат для обмена молекулами АТФ и АДФ между цитоплазмой и органеллами (пластидами и митохондриями). Отметим, что риккетсии относятся к группе альфапротеобактерий и генетически весьма близки к предкам митохондрий.

Важнейшим отличием функционального спектра доменов бактериального происхождения от «архейных» является резкое преобладание метаболитических доменов. Среди них следует отметить, в первую очередь, большое число доменов, связанных с фотосинтезом и кислородным дыханием. В этом нет ничего удивительного, поскольку, согласно общепринятому мнению, и фотосинтез, и кислородное дыхание были получены эукариотами вместе с бактериальным эндосимбионтами – предками пластид и митохондрий.

Важное значение для понимания происхождения эукариот имеют домены, не относящиеся непосредственно к механизму аэробного дыхания, но связанные с микроаэрофильным метаболизмом эукариотической цитоплазмы и с защитой от токсического действия молекулярного кислорода (оксигеназы, пероксидазы и т.д.) Таких доменов в «бактериальной» группе много (19), а в «архейной» они отсутствуют. Большинство этих доменов у эукариот функционирует в цитоплазме. Это говорит о том, что эукариоты, по-видимому, унаследовали от бактерий не только митохондриальное кислородное дыхание, но и значительную часть «аэробного» (точнее, микроаэрофильного) цитоплазматического метаболизма. 

Следует обратить внимание на большое число (93) доменов, связанных с метаболизмом углеводов. Большая их часть у эукариот работает в цитоплазме. К ним относится и фруктозодифосфатальдолаза (домены PF00274 и PF01116) – один из ключевых ферментов гликолиза. Фруктозодифосфатальдолаза катализирует обратимое расщепление гексозы (фруктозодифосфата) на две трехуглеродные молекулы (дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид 3-фосфат). Сравнение остальных гликолитических ферментов у архей, бактерий и эукариот (в частности, по геномным данным из системы COG http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG/new/release/coglist.cgi?pathw=20 ) подтверждает отчетливо бактериальную (не архейную) природу главнейшей составляющей энергетического метаболизма цитоплазмы эукариотической клетки – гликолиза. Этот вывод подтверждается и попарным сравнением белковых последовательностей при помощи BLAST (Feng et al., 1997), и результатами детального сравнительно-филогенетического анализа полных последовательностей гликолитических ферментов у нескольких представителей архей, бактерий и эукариот (Canback et al., 2002).

Важнейшую роль в цитоплазматическом метаболизме углеводов у эукариот играет лактат-дегидрогеназа – фермент, восстанавливающий конечный продукт гликолиза (пируват) с образованием лактата (иногда эту реакцию рассматривают как последний шаг гликолиза). Данная реакция – «анаэробная альтернатива» митохондриальному кислородному дыханию (в ходе последнего пируват окисляется до воды и углекислого газа). Лактат-дегидрогеназа примитивного эукариотического организма - грибка Schizosaccharomyces pombe – сравнивалась при помощи BLAST с архейными и бактериальными белками. Оказалось, что данный белок практически идентичен малат/лактат-дегидрогеназам бактерий рода Clostridium – строго анаэробных бродильщиков (Emin=2*10-83) и, в меньшей степени, родственных клостридиям облигатных или факультативных аэробов из рода Bacillus (Emin=10-75). Ближайший архейный гомолог – белок аэробной археи Aeropyrum pernix (E=10-44). Таким образом, и этот ключевой компонент цитоплазматического метаболизма эукариоты унаследовали скорее от бактерий-бродильщиков, чем от архей.

Среди эукариотных доменов бактериального происхождения присутствует несколько доменов,  связанных с метаболизмом соединений серы. Это важно, поскольку предполагаемые бактериальные предки пластид и, в особенности, митохондрий (пурпурные бактерии) в экологическом отношении были тесно связаны с круговоротом серы. В связи с этим особенно интересен обнаруженный в митохондриях фермент сульфид/хинон оксидоредуктаза, который, возможно, унаследован эукариотами непосредственно от фотосинтезирующих альфапротеобактерий, использующих сероводород в качестве донора электронов при фотосинтезе (в отличие от растений и большинства цианобактерий, которые используют для этого воду) (Theissen et al., 2003). Сульфид-хинон оксидоредуктазы и родственные им белки имеются как у бактерий, так и у архей, поэтому соответствующее семейство белков Pfam находится в группе доменов, общих для всех трех надцарств. Однако по аминокислотным последовательностям этих ферментов эукариоты значительно ближе к бактериям, чем к археям. Например, сравнивая при помощи BLAST человеческую митохондриальную сульфид-хинон оксидоредуктазу http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/viewer.fcgi?db=protein&val=27151704  с архейными белками получаем минимальные значения E не менее 4*10-36 (Thermoplasma), c бактериальными – 10-123 (Chloroflexus).

 

Бактериальные «корни» биосинтеза стеролов

В «бактериальной» группе присутствует несколько доменов, связанных с метаболизмом стероидов (3-beta hydroxysteroid dehydrogenase/isomerase family – PF01073, Lecithin:cholesterol acyltransferase – PF02450, 3-oxo-5-alpha-steroid 4-dehydrogenase – PF02544 и др.). Еще Л.Маргелис (1983), одна из главных создателей симбиогенетической теории происхождения эукариот, отмечала, что весьма важно установить происхождение ключевого фермента биосинтеза стеролов (в т.ч. холестерола) у эукариот – сквален-монооксигеназы, которая катализирует реакцию:

сквален + О2 + AH2 = (S)-сквален-2,3-эпоксид + А + H2O

Продукт этой реакции затем изомеризуется и превращается в ланостерол, из которого в дальнейшем синтезируется холестерол, все прочие стеролы, стероидные гормоны и др. Важность проблемы происхождения сквален-монооксигеназы обусловлена тем, что биосинтез стеролов – одна из главных отличительных особенностей метаболизма эукариот, не свойственная ни бактериям, ни археям. Этот фермент содержит, согласно Pfam, единственный консервативный домен (Monooxygenase - PF01360), который присутствует во многих белках всех трех надцарств. Сравнение аминокислотной последовательности человеческой сквален-монооксигеназы (NP_003120;                 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/viewer.fcgi?db=protein&val=4507197 ) при помощи BLAST cархейными и бактериальными белками показывает, что этот белок проявляет гораздо больше сходства с бактериальными, чем с архейными аналогами (для первых минимальное значение Е=5*10-9 , для вторых Еmin=0.28). Из бактерий наиболее сходными белками обладают актинобактерия Streptomyces argillaceus, бацилла Bacillus halodurans и гаммапротеобактерия Pseudomonas aeruginosa. Лишь после них следует цианобактерия Nostoc sp. (E=3*10-4). Таким образом, ключевой фермент биосинтеза стеролов, по-видимому, возник у ранних эукариот на основе бактериальных, а не архейных белков-предшественников.

Другой важнейший фермент биосинтеза стеролов – сквален-синтаза (ЕС 2.5.1.21), осуществляющая синтез предшественника стеролов – сквалена. Этот фермент относится к семейству Pfam SQS_PSY – PF00494, присутствующему во всех трех надцарствах. Человеческая сквален-синтаза (http://www.genome.jp/dbget-bin/www_bget?hsa+2222 ) очень похожа на гомологичные белки бактерий, в особенности – цианобактерий и протеобактерий (Emin=2*10-16), но сходна также и со сквален-синтазой археи Halobacterium sp. (Е=2*10-15).

Полученные результаты в принципе не противоречат гипотезе Л.Маргулис о том, что сквален имелся уже у прото-эукариот, т.е. у ядерно-цитоплазматического компонента до приобретения митохондрий,  тогда как синтез ланостерола стал возможен лишь после этого события. С другой стороны, ЯЦК должен был иметь достаточно эластичную и подвижную мембрану, чтобы приобрести митохондриального симбионта, а это едва ли возможно без синтеза стеролов, которые как раз и придают мембранам эукариот свойства, необходимые для фагоцитоза, образования псевдоподий и т.п.

 

Цитоскелет

Важнейшим признаком эукариотической клетки является наличие микротрубочек, входящих в состав ундулиподий (жгутиков), митотического веретена и других структур цитоскелета. Л.Маргелис (1983) предположила, что эти структуры унаследованы предками эукариот от симбиотических спирохет, превратившихся в ундулиподии. Б.М.Медников в предисловии к русскому изданию книги Л.Маргелис указал, что лучшим доказательством этой гипотезы было бы обнаружение гомологий в аминокислотных последовательностях сократимого белка спирохет и белков цитоскелета эукариот. Эта же мысль подробно развивается в недавней работе М.Ф.Долана с соавторами (Dolan et al., 2002).

В белках цитоскелета эукариот пока не удается обнаружить признаков, специфичных именно для спирохет. Вместе с тем возможные предшественники этих белков обнаружены и у бактерий, и у архей.

Тубулин содержит два домена Pfam: Tubulin/FtsZ family, C-terminal domain (PF03953) и Tubulin/FtsZ family, GTPase domain (PF00091). Те же два домена присутствуют в FtsZ-белках, широко распространенных у бактерий и архей. FtsZ-белки способны полимеризоваться в трубочки, пластинки и кольца и играют важную роль в клеточном делении прокариот.

Хотя тубулины эукариот и прокариотические FtsZ-белки являются гомологами, сходство их последовательностей весьма низкое. Например, тубулиноподобный белок спирохеты Leptospira interrogans, содержащий оба вышеуказанных домена ( http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?Q72N68 ) обнаруживает высокое сходство с пластидными и митохондриальными белками эукариот, участвующими в делении этих органелл, но не с эукариотическим тубулином. Поэтому некоторые исследователи предполагают, что должен был существовать другой прокариотический предшественник тубулина, более близкий к эукариотическим гомологам, чем FtsZ-белки. Недавно такие белки, действительно очень похожие на эукариотические тубулины (Emin=10-75) были найдены у нескольких видов бактерий рода Prosthecobacter (Jenkins et al., 2002). Бактерии эти, в отличие от спирохет, неподвижные. Авторы упомянутой работы полагают, что прото-эукариоты могли приобрести тубулин путем горизонтального переноса от Prosthecobacter или другой бактерии, имевшей сходные белки (не исключается и возможность слияния клетки архебактерии с бактерией, имевшей ген тубулина).

ГТФ-азы, участвующие в регуляции сборки микротрубочек, тоже указывают на бактериальные «корни» эукариотического цитоскелета. Так, домен Dynamin_N имеет строго бактериальное происхождение (встречен у многих групп бактерий и неизвестен у архей).

Некоторые белки, важные для формирования цитоскелета, эукариоты могли унаследовать от архей. Например, префолдин (PF02996) участвует в биогенезе актина; гомологичные белки имеются у многих архей, тогда как у бактерий обнаружены лишь единичные небольшие фрагменты схожих последовательностей. Что касается самого актина, то явных гомологов этого важнейшего эукариотического белка у прокариот пока обнаружить не удается. И у бактерий, и у архей известны белки MreB/Mbl,  похожие на актин по своим свойствам (способности к полимеризации и формированию филаментов) и третичной структуре (Ent et al., 2001; Mayer, 2003). Эти белки служат для поддержания палочковидной формы клетки (у коккоидных форм они не встречаются), образуя нечто вроде «прокариотического цитоскелета». Однако по своей первичной структуре белки MreB/Mbl мало похожи на актин. Так, MreB-белки спирохеты  Treponema pallidum (http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?O83510), клостридия Clostridium tetani (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/Blast.cgi ) и архей Methanobacterium thermoautotrophicum  (http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?O27103 )  и Methanopyrus kandleri (http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?Q8TYX3 )  из эукариотических белков проявляют наибольшее сходство с хит-шоковыми белками хлоропластов и митохондрий Hsp70 (шапероны; локализуются в нуклеоиде органелл, участвуют в транслокациях белковых молекул). Сходство первичной структуры MreB-белков с актином довольно слабое, но у архейных белков оно несколько выше, чем у бактериальных.

 

Происхождение бактериальных компонентов нуклеоцитоплазмы эукариот.

Приведенный обзор подтверждает, что ЯЦК – химерное образование, сочетающее признаки архей и бактерий. Его «центральные» блоки, связанные с хранением, воспроизведением, организацией и считыванием генетической информации, имеют преимущественно архейное происхождение, тогда как значительная часть «периферии» (метаболические, сигнально-регуляторные и транспортные системы) явно имеет бактериальные корни.

Архейный предок, по-видимому, сыграл главную организующую роль в становлении ЯЦК, однако значительная часть его «периферических» систем была при этом утрачена и заменена на системы бактериального происхождения. Как это могло произойти?

Самое простое объяснение, предлагаемое многими авторами, состоит в предположении, что бактериальные элементы ЯЦК происходят от эндосимбионтов – митохондрий и пластид, многие гены которых действительно переместились в ядро, а белки, ими кодируемые, взяли на себя многие чисто цитоплазматические функции. Это объяснение убедительно подтверждается обширным фактическим материалом (Vellai, Vida, 1999; Gray et al., 1999; Gabaldon, Huynen, 2003). Вопрос лишь в том, является ли оно достаточным.

Есть основания полагать, что это не так. Известно много фактов, указывающих на присутствие в нуклеоцитоплазме эукариот бактериальных компонентов, не происходящих ни от пластидных, ни от митохондриальных эндосимбионтов (Gupta, 1998). Это видно и из анализа белковых доменов. В ЯЦК присутствует довольно много «бактериальных» доменов, не характерных ни для цианобактерий (предков пластид), ни для альфапротеобактерий (предков митохондрий). Если из числа «бактериальных» доменов эукариот (831 домен) исключить те, которые встречаются у цианобактерий и альфапротеобактерий, остается еще 229 доменов. Их происхождение нельзя объяснить миграцией из органелл в цитоплазму. Аналогичные результаты получены и при сравнительном анализе полных последовательностей белковых молекул: у эукариот обнаружено много белков бактериального происхождения, которые не были ими приобретены вместе с эндосимбионтами, а происходят от других групп бактерий. Многие из этих белков вторично проникли в органеллы, где они продолжают функционировать у современных эукариот (Kurland, Andersson, 2000; Walden, 2002).

В таблице (две правые колонки) отражены функциональные спектры двух групп «бактериальных» доменов эукариот:

1) домены, имеющиеся у цианобактерий и/или альфапротеобактерий, т.е. те, которые могли быть приобретены эукариотами вместе с эндосимбионтами – пластидами и митохондриями (602 домена),
2) домены, отсутствующие у цианобактерий и альфапротеобактерий, т.е. те, чье происхождение не удается связать непосредственно с приобретением пластид и митохондрий (229 доменов).

При сравнении функциональных спектров нужно учитывать, что многие из доменов первой группы в действительности тоже могли быть приобретены эукариотами не от эндосимбионтов, а от других бактерий, у которых эти домены тоже присутствуют. Таким образом, можно ожидать, что реальное число «бактериальных» доменов, полученных эукариотами не от эндосимбионтов, существенно выше, чем показывают цифры в правой колонке таблицы. Особенно это касается белков из тех функциональных групп, по которым цифры в третьей колонке таблицы меньше или ненамного больше, чем в четвертой.

Прежде всего отметим, что практически все «бактериальные» домены эукариот, связанные с базовыми механизмами репликации, транскрипции и трансляции (включая рибосомные белки) относятся к первой группе. Иными словами, весьма вероятно, что они получены эукариотами почти исключительно от эндосимбионтов, превратившихся в пластиды и митохондрии. Этого и следовало ожидать, поскольку предки этих органелл были захвачены ядерно-цитоплазматическим компонентом целиком, вместе с их собственными системами обработки генетической информации и синтеза белка. Пластиды и митохондрии сохранили свои бактериальные кольцевые хромосомы, РНК-полимеразы, рибосомы и другие центральные системы жизнеобеспечения. «Вмешательство» ЯЦК во внутреннюю жизнь органелл свелось к переносу большинства их генов в ядро, где они попали под контроль более совершенных ядерно-цитоплазматических регуляторных систем. Практически все «бактериальные» домены эукариот, связанные с информационными процессами, функционируют в органеллах, а не в ядре и цитоплазме.

Главной отличительной особенностью функционального спектра доменов второй группы является резко повышенная доля сигнально-регуляторных белков. Сюда относятся и многие домены «экологического» характера, то есть такие, которые у прокариот отвечали за взаимоотношения клетки с внешней средой и в особенности – с другими членами прокариотного сообщества (рецепторы, сигнальные и защитные белки, домены межклеточного взаимодействия и т.д.). У многоклеточных эукариот, как уже отмечалось, эти домены часто обеспечивают взаимодействие между клетками и тканями, а также используются в иммунной системе (взаимоотношения с посторонними микроорганизмами – тоже своего рода «синэкология»).

Доля метаболитических доменов во второй группе резко понижена по сравнению с первой. Наблюдается отчетливая неравномерность в количественном распределении доменов первой и второй групп по разным отделам метаболизма. Так, практически все домены, связанные с фотосинтезом, аэробным дыханием и электронно-транспортными цепями имеют, по-видимому, митохондриальное или пластидное происхождение. Это вполне ожидаемый результат, поскольку фотосинтез и аэробное дыхание представляют собой главные функции пластид и митохондрий. Соответствующие молекулярные системы были основным вкладом эндосимбионтов в «коммунальное хозяйство» формирующейся эукариотической клетки.

Наибольший удельный вес среди метаболитических доменов второй группы имеют белки, связанные с обменом углеводов. Выше уже говорилось о сходстве эукариотической лактат-дегидрогеназы с гомологичными белками бактерий-бродильщиков, таких как Clostridium (т.е. весьма далеких в таксономическом отношении от циано- и альфапротеобактерий). Аналогичная ситуация и с другими гликолитическими ферментами. Например, человеческая глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназа (http://us.expasy.org/cgi-bin/niceprot.pl?G3P1_HUMAN ) из всех бактериальных гомологов тоже, как и лактат-дегидрогеназа, проявляет наибольшее сходство с белками представителей рода Clostridium (Е=10-136), далее по степени сходства идут различные гаммапротеобактерии – факультативно анаэробные бродильщики (Escherichia, Shigella, Vibrio, Salmonella и т.д.), облигатно анаэробные бродильщики Bacteroides, и лишь после них - цианобактерия Synechocystis sp. с Е=10-113. С глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназами архей сходство намного ниже, хотя соответствующие домены Pfam (PF00044 и PF02800), разумеется, есть во всех трех надцарствах.

По-видимому, важнейшие цитоплазматические ферментные системы, связанные с метаболизмом углеводов (включая гликолиз), были получены прото-эукариотами не от эндосимбионтов, а от других бактерий (возможно, от облигатно или факультативно анаэробных бродильщиков). Этот вывод убедительно подтверждается результатами недавно проведенного детального филогенетического анализа последовательностей гликолитических ферментов у ряда представителей эукариот и бактерий (Canback et al., 2002).

Из восьми «бактериальных» доменов метаболизма стероидов и близких к ним соединений у предков пластид и митохондрий отсутствует половина, в том числе домен 3-beta hydroxysteroid dehydrogenase/isomerase family (PF01073), широко распространенный и у эукариот, и у бактерий. У эукариот белки этого семейства участвуют в синтезе стероидных гормонов, а у бактерий выполняют другие каталитические функции, в частности, связанные с метаболизмом нуклеотид-сахаров. Остальные три домена встречены лишь у двух-трех видов бактерий каждый (причем разные домены – у разных видов). Какую функцию выполняют у бактерий эти белки – неизвестно. Но в целом эти данные говорят о том, что ферментные системы метаболизма стероидов могли сложиться у ранних эукариот на основе бактериальных белков-предшественников, ранее выполнявших несколько иные функции, причем происхождение этих предшественников нельзя связывать исключительно с эндосимбионтами – пластидами и митохондриями. Вспомним, что и ключевой фермент бисинтеза стеролов у эукариот (сквален-монооксигеназа) проявляет наибольшее сходство с белками актинобактерий, бацилл и гаммапротеобактерий, а не циано- или альфапротеобактерий.

 

Природа и генезис ядерно-цитоплазматического компонента эукариот.

Попробуем на основе приведенных данных восстановить облик ЯЦК, каким он был накануне приобретения митохондриальных эндосимбионтов.

«Центральная», или информационная, часть ЯЦК (системы репликации, транскрипции и трансляции, включая рибосомы) имела ярко выраженную архейную природу. Однако необходимо иметь в виду, что ни одна их нынеживущих архей (равно как и бактерий) не имеет внутриклеточных симбионтов. Более того, все известные нам прокариоты, по-видимому, в принципе не могут их приобретать, т.к. не способны к фагоцитозу. По-видимому, единственное исключение составляют загадочные симбиотические бактериальные комплексы насекомых семейства Pseudococcidae, состоящие из сфер, содержащих гаммапротеобактерии. Возможно, эти сферы сами являются бетапротеобактериями, сильно видоизмененными в ходе долгой коэволюции с насекомыми-хозяевами (Dohlen et al., 2001).

Гипотезы о том, что эндосимбионты произошли от хищных или паразитических бактерий, проникавших в прокариотические клетки своих жертв примерно так, как это делает Bdellovibrioразмножающийся в периплазматическом пространстве хозяина, или Daptobacter, проникающий даже в цитоплазму (Guerrero et al., 1986), представляются маловероятными. Учитывая практически полную неспособность прокариот к приобретению эндосимбионтов с одной стороны, и колоссальные возможности одноклеточных эукариот в этом отношении – с другой (Duval, Margulis, 1995; Bernhard et al., 2000), необходимо признать, что лимитирующим фактором является все-таки не способность организмов проникать внутрь других клеток, а способность клетки-хозяина «принимать» таких гостей.

Отметим также, что возникновение эукариотической клетки было крупнейшим эволюционным скачком. По своему масштабу это событие сопоставимо разве что с возникновением самой жизни. Организм, сыгравший центральную роль в этом великом преобразовании, должен был обладать уникальными свойствами. Поэтому не следует ожидать, что ЯЦК представлял собой «обычный прокариотический организм». Прямых аналогов этого организма нет в современной биоте.

 

ЯЦК должен был быть достаточно крупным организмом, чтобы захватить эндосимбионтов, тогда как археи – в основном мелкие прокариоты.

Для многих архей характерны очень маленькие геномы, что может быть следствием узкой специализации в эстремальных местообитаниях, где эти организмы практически не испытывают конкурентного давления, а условия хоть и экстремальны, зато не меняются в течение миллиардов лет. ЯЦК, скорее, должен был обитать в сложной биотической среде, быть ценофилом и обладать достаточно большим геномом, включающим гены «синэкологических» белковых систем, необходимых для успешного взаимодействия с другими компонентами микробного сообщества. Эти же белки впоследствии легли в основу систем внутриклеточной координации, ответственных за согласованную жизнедеятельность хозяина и симбионтов. Судя по вышеприведенным данным, значительная (возможно, большая) часть таких генов была получена ЯЦК от бактерий, причем не от тех, которые стали эндосимбионтами, а от других.

По-видимому, ЯЦК должен был обладать достаточной эластичностью мембран, чтобы захватывать эндосимбионтов. Это предполагает наличие мембранных стеролов и, следовательно, молекулярных систем их биосинтеза. Возможные предшественники некоторых ферментов метаболизма стеролов обнаруживаются опять-таки у бактерий, не родственных предкам митохондрий и пластид.

Биосинтез стеролов требует присутствия небольших концентраций молекулярного кислорода. По-видимому, ЯЦК был микроаэрофильным, а не строго анаэробным организмом еще до приобретения митохондрий. Некоторые домены микроаэрофильного метаболизма были получены ЯЦК от бактерий, не ставших эндосимбионтами.

Чтобы захватить эндосимбионтов, помимо эластичных мембран, ЯЦК должен был обладать цитоплазматической подвижностью, то есть иметь по крайней мере зачатки актин-тубулинового цитоскелета. Происхождение актина остается неясным, но близкие гомологи тубулина ЯЦК мог заимствовать у бактерий, не родственных пластидам и митохондриям.

Метаболизм ЯЦК и будущих митохондрий, особенно энергетический, должен был быть взаимодополнительным, иначе симбиотическая система не могла бы сложиться. Митохондрии получают из цитоплазмы прежде всего пируват – продукт гликолиза. Ферменты анаэробного расщепления сахаров (гликолиза и молочнокислого брожения), как видно из вышеприведенных данных, были получена ЯЦК скорее всего от бактерий, не родственных будущим эндосимбионтам.

Таким образом, ЯЦК накануне приобретения митохондрий предстает перед нами в облике химерного организма с отчетливо архейной «сердцевиной» и бактериальной «периферией». Это противоречит идее о том, что предком ЯЦК был прокариотический организм, не имеющий прямого отношения ни к археям, ни к бактериям – «хроноцит» (Hartman, Fedorov, 2002). Это противоречит также тем моделям происхождения эукариот, согласно которым все бактериальные черты нуклеоцитоплазмы появились в результате приобретения  эндосимбионтов (в первую очередь митохондрий). Имеющиеся факты лучше соответствуют «химерным» гипотезам, согласно которым еще до приобретения эндосимбионтов произошло слияние археи с какой-то бактерией, например, спирохетой (Margulis et al., 2000; Dolan et al., 2002), фотосинтезирующей протеобактерией (Gupta, 1998) или бродильщиком (Emelyanov, 2003).

Однако набор доменов нуклеоцитоплазмы, имеющих бактериальное, но не эндосимбиотическое происхождение, не позволяет однозначно указать на какую-либо одну группу бактерий как на их общий источник. Более вероятным представляется заимствование прото-эукариотами отдельных генов и генных комплексов у многих разных бактерий. Подобное предположение делалось ранее на основе сравнительного анализа протеомов, показавшего наличие даже в самих митохондриях многих белков бактериального, но не альфапротеобактериального происхождения (Kurland, Andersson, 2000).

По-видимому, архея, ставшая основой ЯЦК, обладала аномально высокой способностью к инкорпорации чужеродного генетического материала. Инкорпорация могла происходить путем латерального переноса (вирусного или плазмидного), прямого поглощения ДНК из внешней среды, а также путем установления различного рода контактов архейной клетки-реципиента с бактериальными клетками-донорами (от обычной конъюгации до полного слияния клеток). Инкорпорировались, по-видимому, целые ферментные системы (например, комплекс гликолитических ферментов, система синтеза плазматических мембран), что было бы весьма трудно осуществить, приобретая отдельные гены поодиночке.

В норме прокариоты поглощают чужую ДНК в процессе конъюгации, причем клетка-реципиент должна «опознать» клетку-донора и прийти в состояние компетентности. Так прокариоты предохраняются от обмена генетическим материалом с неродственными формами. Однако существуют прокариоты, способные к т.н. «естественной трансформации». Они поглощают изолированную ДНК из внешней среды, причем для этого им не требуется приходить в состояние компетентности. Для этих прокариот характерен чрезвычайно высокий полиморфизм и приспособляемость (например, к антибиотикам). Примером такого организма является гипер-полиморфная бактерия Helicobacter pylori. Возможно, экстраординарный уровень полиморфизма этого вида связан с его недавним приспособлением к жизни в организме человека (Домарадский, 2002).

У прокариот приток чужеродных генов (переносимых вирусами и плазмидами, а также поглощеннных из внешней среды) контролируется системой рестрикции-модификации. У эукариот этой системы нет, вместо нее функционируют иные механизмы генетической изоляции, связанные с половым размножением (Гусев, Минеева, 1992). Мы предполагаем, что в эволюции ЯЦК был период (скорее всего, кратковременный), когда старые, прокариотические барьеры на пути чужеродных генов ослабли, а новые, эукариотические, еще не функционировали в полную силу. В этот период ЯЦК представлял собой дестабилизированный штамм с резко ослабленными механизмами генетической изоляции. Более того, у него, по-видимому, поэтапно развивались дополнительные механизмы, обеспечивавшие более интенсивную и управляемую рекомбинацию. Можно предположить несколько таких механизмов:

1) Способность перфорировать клеточные оболочки других прокариот и высасывать из них содержимое (отголоском этого могут быть эукариотические домены бактериального происхождения, связанные с вирулентностью патогенных бактерий и перфорированием мембран, например, уже упоминавшийся MAC/Perforin domain);

2) Развитие новых форм обмена генетическим материалом между близкородственными клетками (возможно, включавших образование цитоплазматических мостиков между клетками или даже их слияние - копуляцию). С этим могла быть связана «замена» архейных мембран на бактериальные и появление мембранных стеролов.

3) Фагоцитоз мог развиться как дальнейшее усовершенствование хищничества на основе новой структуры мембран.

4) Переход от единственной кольцевой хромосомы к нескольким линейным мог быть связан с активизацией рекомбинационных процессов.

5) Развитие на основе единственной (хотя и почти такой же сложной, как у эукариот) архейной РНК-полимеразы трех типов эукариотических РНК-полимераз, отвечающих за считывание разных групп генов, могло быть обусловлено экстренной необходимостью поддержания целостности нестабильного, быстро меняющегося химерного генома.

6) Аналогичными потребностями могло быть обусловлено и появление ядерной оболочки, которая поначалу, возможно, функционировала как фильтр, помогающий ограничить и упорядочить поток генов из цитоплазмы, куда попадали захваченные путем фагоцитоза чужеродные клетки.

 

Разумеется, всё это лишь предположения. Однако заслуживает внимания сам факт того, что важнейшие отличительные особенности эукариот (структура мембран, фагоцитоз, линейные хромосомы, дифференцированные РНК-полимеразы, ядерная оболочка) могут быть объяснены с позиций предлагаемой модели, т.е. как возникшие в связи с активизацией рекомбинационных процессов у ЯЦК. Заметим также, что инкорпорация значительной части пластидных и митохондриальных генов в ядерный геном (процесс, продолжающийся по сей день, особенно у растений) (Dyall et al., 2004) подтверждает наличие у эукариот соответствующих механизмов.

 

Почему центральным организующим компонентом ЯЦК стала именно архея? По-видимому, молекулярно-информационные системы архей (репликация, транскрипция, трансляция, организация и модификация НК) изначально были более пластичными и устойчивыми, чем у бактерий, что позволило археям приспособиться к самым экстремальным местообитаниям.

Отсутствующие у бактерий, но имеющиеся у архей и эукариот системы процессинга, интроны, а также более сложные РНК-полимеразы, по-видимому, свидетельствуют о более сложном, совершенном и управляемом механизме транскрипции (более «умное», «разборчивое» считывание генетической информации). Такой механизм, по-видимому, было легче адаптировать к различным «нештатным ситуациям», к которым можно отнести, помимо высокой температуры, солености и кислотности, также и ослабление барьеров, препятствующих включению в геном чужеродных генов.

 

Такая специфическая эволюционная стратегия, какую мы предполагаем у ЯЦК в эпоху до приобретения митохондрий, могла возникнуть и существовать лишь в крайне нестабильных, кризисных условиях, когда для выживания требовался высочайший уровень изменчивости и активное эволюционное «экспериментирование». Подобные условия, по-видимому, имели место во временных окрестностях рубежа архейской и протерозойской эр. О возможной связи этих кризисных событий в возникновением эукариот мы писали раньше (Марков, в печати).

Поскольку древнейшие ископаемые остатки стеролов обнаружены в отложениях возрастом 2,7 млрд лет (Brocks et al., 1999), можно предполагать, что многие важные рубежи в эволюции ЯЦК были пройдены задолго до конца архейской эры.

 

Происхождение эукариот как закономерный итог эволюции прокариотных сообществ.

Очевидно, что все основные этапы формирования эукариотической клетки могли происходить только в сложном и высоко интегрированном прокариотном сообществе, включавшем различные виды авто- и гетеротрофных микробов. Полученные данные согласуются с общепринятым мнением о том, что важной движущей силой в процессе эукариотической интергации был рост концентрации молекулярного кислорода, связанный с переходом цианобактерий от бескислородного фотосинтеза к кислородному.

Мы предполагаем, что «предковое сообщество» эукариот состояло как минимум из трех слоев. В верхнем обитали цианобактерии (среди которых были и предки пластид), использовавшие для фотосинтеза световые волны длиной до 750 нм. Эти волны имеют небольшую проникающую способность, поэтому события должны были разворачиваться на мелководье. Изначально донором электронов служила не вода, а восстановленные соединения серы, в первую очередь – сероводород. В качестве побочного продукта выделялись во внешнюю среду продукты окисления сероводорода (сера и сульфаты).

Во втором слое обитали пурпурные фотосинтезирующие бактерии, в том числе – альфапротеобактерии, предки митохондрий. Пурпурные бактерии используют свет с длиной волны более 750нм (в основном красный и инфракрасный). Эти волны обладают лучшей проникающей способностью, поэтому они легко проходили сквозь слой цианобактерий. Пурпурные бактерии и сейчас обычно живут в водоемах под более или менее толстым слоем аэробных фотосинтетиков (цианобактерий, водорослей, высших растений) (Федоров, 1964). Пурпурные альфапротеобактерии обычно используют в качестве донора электрона сероводород, окисляя его до сульфата (причем молекулярного кислорода для этого не требуется).

В третьем слое обитали нефотосинтезирующие бактерии и археи. Среди них могли быть разнообразные бактерии-бродильщики, перерабатывающие производимую фотосинтетиками органику; некоторые из них в качестве одного из конечных продуктов брожения выделяли водород. Это создавало базу для существования сульфатредуцирующих бактерий и архей (они восстанавливают сульфаты до сульфидов при помощи молекулярного водорода и потому представляют собой полезное «дополнение» к сообществу бескислородных фотосинтетиков, потребляющих сульфид), для метаногенных архей (восстанавливают углекислоту до метана) и других анаэробных форм жизни. Среди обитавших здесь архей находились и предки ЯЦК.

Сообщество, подобное описанному выше, могло существовать на хорошо освещенном мелководье при средней температуре 30-400 С. Именно эта температура является оптимальной для подавляющего большинства прокариот, включая и группы, входившие в состав данного сообщества. Мнение о том, что происхождение эукариот было связано с экстремально термофильными местообитаниями, появилось из-за того, что первым прокариотическим организмом, у которого удалось обнаружить гистоны, была архея Thermoplasma acidophila, ацидотермофил. Это наводило на мысль, что появление гистонов (одного из важных отличительных признаков эукариот) было связано с приспособлением к высоким температурам. Сейчас гистоны обнаружены у многих архей с самой разной экологией. В настоящее время нет оснований полагать, что температура в «первичном биотопе» эукариот была выше 30-40 градусов. Указанная температура, повидимому, является оптимальной для большинства эукариотических организмов. Косвенно это подтверждается тем, что именно такую температуру «избрали» для себя те эукариоты, которым удалось достигнуть уровня организации, достаточного для перехода к гомойотермии. Биотоп «предкового сообщества», возможно, время от времени подвергался перегреву, о чем свидетельствует сохранение у эукариот нескольких бактериальных хит-шоковых доменов и архейных белков, участвующих в посттранскрипционных модификациях тРНК. Подверженность периодическому перегреву согласуется с предположением о мелководности «предкового биотопа» эукариот.

Прокариотное сообщество вышеописанного типа может оставаться вполне устойчивым до тех пор, пока не будет подорвана его ресурсная база.

Начало кризисным преобразованиям положил переход цианобактерий к кислородному фотосинтезу. Суть преобразования заключалась в том, что в качестве донора электрона цианобактерии начали использовать воду вместо сероводорода (Федоров, 1964). Возможно, это было связано с уменьшением концентрации сероводорода в океане. Переход к использованию такого практически неограниченного ресурса, как вода, открывал перед цианобактериями большие эволюционно-экологические возможности, но имел и негативные последствия. Вместо серы и сульфатов при фотосинтезе стал выделяться молекулярный кислород – вещество крайне токсичное и с древнейшей земной жизнью плохо совместимое.

Первыми с токсическим действием кислорода столкнулись его непосредственные производители – цианобактерии. Они же, вероятно, первыми стали вырабатывать средства защиты от нового яда. Электронно-транспортные цепи, создававшиеся для фотосинтеза, были модифицированы и начали служить для аэробного дыхания, изначальная цель которого, по-видимому, заключалась не в получении энергии, а только в нейтрализации молекулярного кислорода, причем на это тратились (окислялись) большие количества органики. Ферментные системы азотфиксации, для которых действие кислорода особенно губительно, были «упрятаны» в специализированные клетки – гетероцисты, защищенные толстой оболочкой и не фотосинтезирующие.

Вскоре и обитателям второго слоя сообщества – пурпурным бактериям – пришлось вырабатывать аналогичные системы защиты. Так же, как и цианобактерии, они сформировали ферментные комплексы аэробного дыхания на основе фотосинтетических электронно-транспортных цепей. Именно у пурпурных альфапротеобактерий развилась наиболее совершенная дыхательная цепь, которая ныне функционирует в митохондриях всех эукариот. По-видимому, в этой же группе впервые сформировался замкнутый цикл трикарбоновых кислот – наиболее эффективный метаболический путь полного окисления органики, позволяющий извлечь максимум энергии (Гусев, Минеева, 1992). У нынеживущих пурпурных бактерий фотосинтез и дыхание представляют собой два альтернативных варианта энергетического метаболизма, обычно работающие в противофазе. В бескислородных условиях эти организмы фотосинтезируют, а в присутствии кислорода синтез веществ, необходимых для фотосинтеза (бактериохлорофиллов и ферментов цикла Кальвина), подавляется, и происходит переключение клеток на гетеротрофное питание, основанное на кислородном дыхании. По-видимому, механизмы этого «переключения» сформировались уже в рассматриваемую эпоху.

В третьем слое сообщества появление свободного кислорода должно было вызвать серьезный кризис. Метаногенные, сульфатредуцирующие и другие формы, утилизирующие молекулярный водород при помощи ферментов-гидрогеназ, не могут существовать в аэробных условиях,  поскольку кислород оказывает на гидрогеназы ингибирующее действие. Многие бактерии, выделяющие водород, в свою очередь, не могут расти в среде, где нет микроорганизмов, его утилизирующих (Заварзин, 1993). Из бродильщиков в составе сообщества, по-видимому, остались формы, выделяющие в качестве конечных продуктов низкоорганические соединения, такие как пируват, лактат или ацетат. Эти бродильщики выработали некоторые специальные средства защиты от кислорода и превратились в факультативных анаэробов или микроаэрофилов. К числу выживших относились и археи - предки ЯЦК. Возможно, поначалу они «прятались» в самых нижних горизонтах сообщества, ниже слоя бродильщиков. Каким бы ни был изначально их метаболизм, в новых условиях он уже не обеспечивал поддержания жизни. Поэтому он был вскоре полностью заменен, и у современных эукариот не осталось никаких его следов. Не исключено, что изначально это были метаногенные формы, потому что из современных архей именно они являются наиболее ценофильными (прежде всего из-за зависимости от производимого бродильщиками молекулярного водорода), а предок ЯЦК, несомненно, должен был быть облигатным ценофилом. Метаногенез является наиболее распространенным типом энергетического метаболизма у современных архей и не встречается в двух других надцарствах.

Возможно, именно в этот кризисный момент и произошло ключевое событие – ослабление генетической изоляции у предков ЯЦК и начало бурного эволюционного экспериментирования. Предки ЯЦК (возможно, перешедшие к активному хищничеству) инкорпорировали генные комплексы разнообразных бродильщиков до тех пор, пока не заменили себе значительную часть архейной «периферии» и не стали сами микроаэрофильными бродильщиками, сбраживающими углеводы по гликолитическому пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса до пирувата и молочной кислоты. Заметим, что современные аэробные археи, по-видимому, произошли от метаногенов, а необходимые для кислородного дыхания ферментные системы приобрели сравнительно поздно, причем важную роль в этом сыграл латеральный перенос генов от аэробных бактерий (Brochier et al., 2004).

В этот период у ЯЦК, по-видимому, сменились мембраны (с «архейных», содержащих эфиры терпеноидных кислот, на «бактериальные», основанные на эфирах жирных кислот), появились мембранные стеролы и зачатки актин-тубулинового цитоскелета. Это создавало необходимые предпосылки для развития фагоцитоза и приобретения эндосимбионтов.

В палеонтологической летописи начало описываемых событий, связанное с появлением кислородного фотосинтеза и выходом нескольких групп бактерий из активного круговорота серы, вероятно, может быть маркировано более или менее резкими колебаниями содержания сульфидов и сульфатов в биогенных отложениях, особенно в строматолитах. Подобные маркеры следует искать в слоях возрастом более 2,7 млрд лет, так как нарушения серного круговорота должны были предшествовать появлению стеролов.

Таким образом, появление молекулярного кислорода изменило структуру «предкового сообщества». Обитатели третьего слоя сообщества - микроаэрофильные, способные к фагоцитозу, выделяющие лактат и пируват ЯЦК - теперь непосредственно контактировали с новыми обитателями второго слоя - аэробными альфапротеобактериями, которые не только выработали действенные средства защиты от кислорода, но и научились его использовать для получения энергии при помощи дыхательной электроннотранспортной цепи и цикла трикарбоновых кислот. Таким образом,  метаболизм ЯЦК и аэробных альфапротеобактерий стал взаимодополнительным, что создавало предпосылки для симбиоза. Кроме того, само топографическое расположение альфапротеобактерий в сообществе (между верхним, выделяющим кислород, и нижним микроаэрофильным слоем) предопределяло их роль как «защитников» ЯЦК от избытков кислорода.

Вероятно, ЯЦК заглатывали и приобретали в качестве эндосимбионтов многих разных бактерий. Активное экспериментирование такого рода и сейчас продолжается у одноклеточных эукариот, обладающих огромным разнообразием  внутриклеточных симбионтов (Duval, Margulis, 1995; Bernhard et al., 2000). Из всех этих экспериментов союз с аэробными альфапротеобактериями оказался наиболее удачным и открыл перед новыми симбиотическими организмами огромные эволюционные перспективы.

По-видимому, в первое время после приобретения митохондрий происходил массированный перенос генов эндосимбионтов в центральный геном ЯЦК (Dyall et al., 2004). В основе этого процесса, очевидно, лежали те механизмы инкорпорации чужеродного генетического материала, которые сложились у ЯЦК в течение предшествующего периода. Крайне интересны недавно полученные данные, свидетельствующие о том, что перенос митохондриальных генов в ядерный геном мог происходить целыми большими блоками (Martin, 2003), т.е. именно так, как, по нашим предположениям, происходила инкорпорация чужеродных генов ядерно-цитоплазматическим компонентом еще до приобретения митохондрий. Другой возможный механизм инкорпорации генов в центральный геном ЯЦК включал обратную транскрипцию (Nugent, Palmer, 1991).

Все предполагаемые трансформации ЯЦК, вплоть до приобретения эндосимбионтов-альфапротеобакетрий, едва ли могли происходить медленно, постепенно и на обширных территориях. Скорее, они происходили достаточно быстро и локально, т.к. организмы (ЯЦК) находились в это время в крайне неустойчивом состоянии - стадии дестабилизации (Раутиан, 1988). Возможно, возврат к эволюционно-стабильному состоянию и восстановление изоляционных барьеров произошли вскоре после приобретения митохондрий, и только в той линии ЯЦК, в которой возник этот наиболее удачный симбиоз. Все прочие линии, скорее всего, быстро вымерли.

Приобретение митохондрий сделало эукариот полностью аэробными организмами,  которые обладали теперь всеми необходимыми предпосылками для осуществления финального акта интергации – приобретения пластид.

 

Заключение

Сравнительный анализ белковых доменов в трех надцарствах (Archaea, Bacteria, Eukaryota) подтверждает симбиогенетическую теорию происхождения эукариот. От архей эукариоты унаследовали многие ключевые компоненты информационных систем нуклеоцитоплазмы. Бактериальные эндосимбионты (митохондрии и пластиды) внесли большой вклад в формирование метаболитических и сигнально-регуляторных систем не только в органеллах, но и в цитоплазме. Однако еще до приобретения эндосимбионтов археи – предки нуклеоцитоплазмы - получили многие белковые комплексы с метаболитическими и сигнально-регуляторными функциями путем латерального переноса от различных бактерий. По-видимому, в эволюции предков нуклеоцитоплазмы был период дестабилизации, во время которого изоляционные барьеры резко ослабли. В течение этого периода происходила интенсивная инкопрорация чужеродного генетического материала. В роли «спускового крючка» цепочки событий, приведших к появлению эукариот, выступил кризис прокариотных сообществ, вызванный переходом цианобактерий к кислородному фотосинтезу.

 

Список литературы

 

Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. Третье издание. М.: Изд-во МГУ, 1992.

Домарадский И.В. Молекулярно-биологические основы изменчивости Helicobacter pylori // Журнал микробиологии, 2002, № 3,С. 79-84.

Заварзин Г.А. Развитие микробных сообществ в истории Земли // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука, 1993. С. 212-222.

Литошенко А.И. Эволюция митохондрий // Цитология. Генетика. 2002. Т. 36. № 5. С. 49-57.

Маргелис Л. 1983. Роль симбиоза в эволюции клетки. М.: Мир. 352 с.

Марков А.В. Проблема происхождения эукариот // Палеонтол. журн. В печати.

Раутиан А.С. Палеонтология как источник сведений о закономерностях и факторах эволюции // Современная палеонтология. М.: Недра, 1988. Т.2. С. 76-118.

Федоров В.Д. Сине-зеленые водоросли и эволюция фотосинтеза // Биология сине-зеленых водорослей. 1964.

Bernhard J.M., Buck K.R., Farmer M.A., Bowser S.S. The Santa Barbara Basin is a symbiosis oasis // Nature. 2000. V. 403. № 6765. P. 77-80.

Brocks J.J., Logan G.A., Buick R., Summons R.E. Archean molecular fossils and the early rise of eukaryotes // Science. 1999. V. 285. № 5430. P. 1025-1027.

Brochier C., Forterre P., Gribaldo S. Archaeal phylogeny based on proteins of the transcription and translation machineries: tackling the Methanopyrus kandleri paradox // Genome Biol. 2004. V.5. N 3. P. R17.

Canback B., Andersson S. G. E., Kurland, C. G. The global phylogeny of glycolytic enzymes // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002. N 99. P. 6097-6102.

Cavalier-Smith T. The neomuran origin of archaebacteria, the negibacterial root of the universal tree and bacterial megaclassification // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2002. № 52. Pt 1. P. 7-76.

Coulson R.M., Enright A.J., Ouzounis C.A. Transcription-associated protein families are primarily taxon-specific // Bioinformatics. 2001. V.17. N 1. P. 95-97.

Dohlen C.D., von, Kohler S., Alsop S.T., McManus W.R. Mealybug beta-proteobacterial endosymbionts contain gamma-proteobacterial symbionts // Nature. 2001.  V. 412. N 6845. P. 433-436.

Dolan M.F., Melnitsky H., Margulis L., Kolnicki R. Motility proteins and the origin of the nucleus // Anat. Rec. 2002. N 268. P. 290-301.

Duval B., Margulis L. The microbial community of Ophrydium versatile colonies: endosymbionts, residents, and tenants // Symbiosis. 1995. N 18. P. 181-210.

Dyall S.D., Brown M.T., Johnson P.J.  Ancient Invasions: From Endosymbionts to Organelles // Science. 2004. V. 304. N 5668. P. 253-257.

Dyall S.D., Johnson P.J. Origins of hydrogenosomes and mitochondria: evolution and organelle biogenesis // Curr. Opin. Microbiol. 2000. V. 3. N 4. P. 404-411.

Ent F., van den, Amos L.A., Lцwe J. Prokaryotic origin of the actin cytoskeleton // Nature. 2001. V. 413. N 6851. P. 39-44.

Esser C., Ahmadinejad N., Wiegand C. et al. A Genome Phylogeny for Mitochondria Among  Alpha-Proteobacteria and a Predominantly Eubacterial Ancestry of Yeast Nuclear Genes // Mol. Biol. Evol. 2004. V. 21. N 9. P.1643-1660.

Feng D.F., Cho G., Doolittle R.F. Determining divergence times with a protein clock: Update and reevaluation // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. P. 13028-13033.

Gabaldуn T., Huynen M.A. Reconstruction of the Proto-Mitochondrial Metabolism // Science. 2003. V. 301. N 5633. P. 609.

Gray M.W., Burger G., Lang B.F. Mitochondrial Evolution // Science. 1999. V. 283. N 5407. P. 1476-1481.

Gupta R.S. Protein Phylogenies and Signature Sequences: A Reappraisal of Evolutionary Relationships among Archaebacteria, Eubacteria, and Eukaryotes // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 1998. V. 62. N 4. P. 1435-1491.

Guerrero R., Pedros-Alio C., Esteve I. et al. Predatory prokaryotes: predation and primary consumption evolved in bacteria // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1986. N 83. P. 2138-2142.

Hartman H., Fedorov A. The origin of the eukaryotic cell: a genomic investigation // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2002. V. 99. N 3. P. 1420-1425.

Helenius A., Aebi M. Intracellular functions of N-linked glycans // Science. 2001. V. 291. N 5512. P. 2364-2369.

Jenkins C., Samudrala R., Anderson I. et al. Genes for the cytoskeletal protein tubulin in the bacterial genus Prosthecobacter. // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2002. V. 99. N 26. P. 17049-17054.

Kurland C.G., Andersson S.G.E. Origin and Evolution of the Mitochondrial Proteome // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2000. V. 64. N. 4. P. 786-820.

Margulis L., Bermudes D. Symbiosis as a mechanism of evolution: status of cell symbiosis theory // Symbiosis. 1985. N 1. P. 101-124.

Margulis L., Dolan M.F., Guerrero R. The chimeric eukaryote: origin of the nucleus from the karyomastigont in amitochondriate protists // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2000. V. 97. N 13. P. 6954-6959.

Martin W. Gene transfer from organelles to the nucleus: Frequent and in big chunks // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003. V. 100. N 15. P. 8612-8614.

Martin W., Muller M. The hydrogen hypothesis for the first eukaryote // Nature. 1998. N 392. P.37-41.

Martin W., Russell M.J. On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci.  2003. V. 358. N 1429. P. 59-85.

Martin W, Schnarrenberger C. The evolution of the Calvin cycle from prokaryotic to eukaryotic chromosomes: a case study of functional redundancy in ancient pathways through endosymbiosis // Curr Genet. 1997. V. 32. N 1. P. 1-18.

Mayer F. Cytoskeletons in prokaryotes // Cell. Biol. Int. 2003. V. 27. N 5. P. 429-438.

Ng W.V., Kennedy S.P., Mahairas G.G. et al. Genome sequence of Halobacterium species NRC-1 // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2000. V. 97. N 22. P. 12176-12181.

Noon K.R., Guymon R., Crain P.F. et al. Influence of temperature on tRNA modification in archaea: Methanococcoides burtonii (optimum growth temperature [Topt], 23 degrees C) and Stetteria hydrogenophila (Topt, 95 degrees C) // J. Bacteriol. 2003. V. 185. N 18. P. 5483-5490.

Nugent J.M., Palmer J.D. RNA-mediated transfer of the gene coxII from the mitochondrion to the nucleus during flowering plant evolution // Cell. 1991. V. 66. N 3. P. 473-481.

Slesarev A.I., Belova G.I., Kozyavkin S.A., Lake J.A. Evidence for an early prokaryotic origin of histones H2A and H4 prior to the emergence of eukaryotes // Nucleic Acids Res. 1998. V. 26. N 2. P. 427-430.

Theissen U., Hoffmeister M., Grieshaber M., Martin W. Single Eubacterial Origin of Eukaryotic Sulfide:Quinone Oxidoreductase, a Mitochondrial Enzyme Conserved from the Early Evolution of Eukaryotes During Anoxic and Sulfidic Times // Mol. Biol. Evol. 2003. V. 20. N 9. P. 1564-1574.

Vellai T., Takacs K., Vida G. A new aspect to the origin and evolution of eukaryotes // J. Mol. Evol.  1998. V. 46. N 5. P. 499-507.

Vellai T., Vida G. The origin of eukaryotes: the difference between prokaryotic and eukaryotic cells // Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 1999. V. 266. N 1428. P. 1571-1577.

Walden W.E. From bacteria to mitochondria: Aconitase yields surprises // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002. N 99. P. 4138-4140.

 


[1] Здесь и далее «доменами архейного происхождения» условно будут называться домены, имеющиеся у эукариот и архей, но отсутствующие у бактерий. Соответственно, домены, имеющиеся у бактерий и эукариот, но отсутствующие у архей, будем называть «доменами бактериального происхождения».

Авторы: А.В.Марков1, А.М.Куликов(1 – Палеонтологический институт РАН, 2 – Институт биологии развития РАН)

«Научные истины всегда парадоксальны, если судить на основании повседневного опыта, который улавливает лишь обманчивую видимость вещей»

Карл Маркс

Файлы

Наука и миф

Научные основы качественного долголетия и антистарения

Эволюция физики (А. Эйнштейн Л. Инфельд)

Основы первой медицинской помощи