Підраховано внесок архейних і бактеріальних генів в еукаріотні геноми

Ріс. 1. Різноманітність еукаріот, які не належать ні до тварин, ні до вищих рослин. За годинниковою стрілкою, починаючи з верхнього лівого зображення: червона водоросль (Chondrus), бурая водоросль (Macrocystis), інфузорія (Frontonia), золотистая водоросль (Dinobryon), скелет радіолярії, паразитичний джгутіконосец лямблія (Giardia), амеба (Acanthamoeba) і слизевigulF. У водоростей підвищена частка «бактеріальних» генів, а у паразитичних одноклітинних еукаріот, начебто згадуваної в тексті лямблії — частка «архейних». Зображення з сайту en.wikipedia.org

Давно відомо, що еукаріоти виникли в результаті симбіогенезу: архейна клітина об’єдналася з бактеріальною. Відповідно, в будь-якому еукаріотному геномі є гени як архейного, так і бактеріального походження. Але скільки там тих та інших? Досі оцінки були досить грубими. Зараз це порахували точно, використовуючи бази прочитаних повних геномів. У середньому 44% еукаріотних білок-кодуючих генів має архейне походження, а 56% — бактеріальне. Однак у деяких групах еукаріот зустрічаються помітні відхилення від цих середніх величин, причому в обидва боки, залежно від біологічних особливостей.

Ось уже кілька десятиліть у біологів прийнято ділити всі живі організми (крім вірусів) на три групи: бактерій, архей і еукаріот. Бактерії та археї відрізняються маленьким розміром клітин, їх простою внутрішньою структурою і можливістю котранскрипційної трансляції. Останнє, звичайно, вимагає пояснення. Як відомо, у всіх сучасних живих клітинах генетична інформація зберігається на ДНК. Коли той чи інший ген стає активний, інформація «переписується» з нього на знову синтезовану молекулу РНК — відбувається транскрипція. Потім РНК вступає в контакт з рибосомою, і з неї зчитується інформація, що дозволяє рибосомі синтезувати білок. Процес синтезу білка на рибосомі називається трансляцією. У бактерій і архей одна і та ж молекула РНК може одночасно брати участь і в транскрипції, і в трансляції: вона ще не до кінця синтезована, але її вільний кінець вже зв’язався з рибосомою, і синтез білка почався.

Еукаріотні клітини набагато більші і складно влаштовані всередині. Процеси транскрипції і трансляції у еукаріот розділені в просторі — вони відбуваються по різні сторони ядерної оболонки, — а більшість генів багато інтронами, безглуздими внутрішньонними вставками, які вирізаються з РНК спеціальними ферментами після транскрипції, але до того, як почнеться синтез білка. Крім того, у більшості еукаріот є особливі органели з біоенергетичною функцією — мітохондрії, які були у їх загального предка, хоча і зникли потім в деяких еволюційних лініях (див. Виявлено першу тварину без мітохондріального геному, «Елементи», 02.04.2020).

Еукаріоти еволюційно молодші бактерій і архей: вони з’являються в палеонтологічному літописі набагато пізніше (не менш ніж на мільярд років, хоча не виключено, що розрив ще більше). Від кого ж вони сталися — від архей чи від бактерій?

Сучасна відповідь свідчить: еукаріоти сталися від архей. Раніше вони вважалися їхньою сестринською групою, але більш нові молекулярні дослідження показали, що предки еукаріот — не попередники або родичі архей, а просто археї без всяких застережень (див., наприклад: Описано новий надтип архей, до якого належать предки еукаріот, «Елементи», 16.01.2017). Здавалося б, це питання вирішене однозначно. І дійсно, чому б який-небудь археї, поступово ускладнюючись, не перетворитися врешті-решт на еукаріота?

Однак зараз усіма визнано, що пояснити походження еукаріотної клітини просто-напросто неможливо без урахування симбіогенетичної теорії, згідно з якою в ній об’єдналися компоненти, що мають різне походження — як архійне, так і бактеріальне (див., наприклад: Теорія сімбіогенезу 50 років потому: паралельної еукаріотизації, швидше за все, не було, «Елементи», 22.11.2017). Безсумнівні бактеріальні компоненти — ті ж мітохондрії, колишні симбіотичні бактерії, які досі зберігають власний генетичний апарат. Це означає, що у еукаріот свідомо є і архейні, і бактеріальні гени. Питається, за якими ж з них молекулярна систематика повинна встановлювати спорідненість?

Історія виникнення еукаріот — справжній виклик класичній філогенетиці, яка прагне знайти місце будь-якому живому організму на одній з гілочок послідовно ветвящегося древа. Проблема в тому, що в точці походження еукаріот архейна і бактеріальна еволюційні гілки злилися. Чи правильно взагалі називати еукаріот нащадками архей? Симбіогенетична теорія ясно стверджує, що еукаріоти — нащадки і архей, і бактерій. Додатково задуматися над цим змушують недавні дослідження тих архей, які генетично найбільш близькі до еукаріотів. Їх знайдені на даний момент представники — дивовижно дрібні, позбавлені притаманної еукаріотам внутрішньої складності, але зате живуть вони в обов’язковому симбіозі з бактеріями (див. Виявлений живий представник асгардархей, «Елементи», 22.08.2019).

Теза, що еукаріоти — не більше ніж перетворені археї, могла б підтвердитися, якби виявилося, що більшість еукаріотних генів має архійне походження. Але тут відразу виникає каверзне питання: а що, якщо виявиться навпаки? Чи це означатиме, що еукаріоти — не більш ніж перетворені бактерії?

Для перших молекулярних філогенетиків, які працювали 30-40 років тому, цієї проблеми не існувало з тієї причини, що вони працювали в основному з послідовностями рибосомних РНК і генів, які їх кодують. Це було виправдано. По-перше, рибосомні РНК — консервативні молекули, зручні для виявлення родинних зв’язків: їх структура змінюється досить повільно. По-друге, їх просто дуже багато: рибосоми можуть становити до 40% сухої ваги клітини. Відразу ж з’ясувалося, що еукаріотні рибосоми мають архійне, а не бактеріальне походження. Це дійсно безперечно. Але гени, продукти яких мають відношення до рибосомів — тобто гени рибосомних РНК і рибосомних білків — всі в сумі становлять приблизно 1% типового бактеріального або архейного геному (кілька десятків з декількох тисяч генів). Решта 99% аналізувати складніше. Але в наш час, коли кілька тисяч геномів повністю прочитано, це цілком можливо. Ким же є еукаріоти на повногеномному рівні?

Дані на цю тему накопичуються вже давно (див. наприклад: А. В. Марков, А. М. Куликов, 2004. Походження евкаріот: висновки з аналізу білкових гомологій у трьох надцарствах живої природи). Але ось зараз відомий американський біолог Вільям Мартін (William F. Martin), який багато років працює в Німеччині, і його молода колега Юлія Брюкнер (Julia Bruckner) вирішили порахувати це точно. Вони порівняли наявні в сучасних базах повні геноми 5 443 видів бактерій, 212 видів архей і 150 видів еукаріот. Великий перекіс у бік бактерій поки що не усунутий, але його можна врахувати під час обробки даних, щоб це не давало артефактів. Загалом було оброблено генні послідовності, що кодують 19 мільйонів бактеріальних і архейних білків і 3,4 мільйона еукаріотних білків. Звичайно, це лише крихітна вибірка з безлічі білків, які існують в природі (див. розширення білкового всесвіту триває, «Елементи», 24.05.2010), але для оцінки вона більш-менш інформативна.

Вивід: 44% білок-кодуючих генів еукаріот мають архейне походження, а 56% — бактеріальне. Бактеріальних генів в середньому на 12% більше. Однак це співвідношення не є однаковим для всіх груп еукаріот. У еукаріот, які мають хлоропласти (які, як відомо, відбулися в кінцевому рахунку від ціанобактерій; Див. Відкрито хижий родич червоних водоростей, «Елементи», 30.07.2019), бактеріальне походження в середньому має 61% генів, а архійне лише 39%. Це природно, оскільки хлоропласти, як і мітохондрії, мають власний геном бактеріального типу і їх гени інтенсивно мігрують у клітинне ядро. Найбільша частка генів бактеріального походження виявилася у вищих рослин, наприклад у злаків: 67%, тобто дві третини.

Є й такі еукаріоти, у яких, навпаки, частка архейних генів виявилася набагато вище середньої. У Encephalitozoon — представника мікроспоридій, внутрішньоклітинного паразита, що викликає інвазійні захворювання у кроликів і людей, 86% білок-кодуючих генів має архейне походження і тільки 14% — бактеріальне. Для відомих геномів це рекорд. Але це пов’язано не з придбанням нових архейних генів, а з втратою старих бактеріальних. Справа в тому, що бактеріальні гени у еукаріот кодують білки, що забезпечують всілякі метаболічні шляхи, а у внутрішньоклітинних паразитів, які можуть відбирати майже всі необхідні речовини в готовому вигляді у господаря, метаболізм різко спрощується — тому і відповідні гени зникають. У інших еукаріотних паразитичних мікроорганізмів, наприклад у лямблій і трихомонад, геноми теж стають більш «архейними». Така загальна закономірність: найбільш «архейні» еукаріоти — паразити, найбільш «бактеріальні» — рослини або водорості.

Ріс. 2. Бактеріальні та архейні компоненти еукаріотної клітини. Коричневим кольором позначений архейний компонент, блакитним — первинний бактеріальний компонент (предок мітохондрій), зеленим — ціанобактеріальний компонент (предок хлоропластів). Симбіоз бактерії з археєю виник без будь-якої участі фагоцитоза, завдяки здатності архейних клітин до утворення виростів, між якими змогли оселитися предки мітохондрій. В складній клітці відбулося заміщення архейних мембран бактеріальними з попутним виникненням ендоплазматичної мережі, ядра та інших мембранних структур; передбачається, що джерелом всіх цих мембран були бульбашки, які відшнуровувалися від зовнішньої мембрани мітохондрій. Від архейного учасника симбіозу еукаріотам дісталася в основному інформаційна складова генома і клітинних механізмів, від бактеріального — в основному метаболічна. Ілюстрація з обговорюваної статті в Genome Biology and Evolution

Дослідження підтвердило, що «архейні» і «бактеріальні» гени еукаріот абсолютно нерівномірно розподілені за функціями. Вже досить давно існує уявлення, що від архей еукаріоти успадкували в першу чергу гени, продукти яких забезпечують роботу генетичного апарату, а від бактерій — гени, пов’язані з обміном речовин. Дійсно, більшість «інформаційних» генів (як мінімум три чверті) отримано еукаріотами від архей, а більшість «метаболічних» генів (як мінімум дві третини) — від бактерій.

Деякі еукаріотні гени взагалі не можна віднести ні до архейної, ні до бактеріальної групи. Це гени, що виникли всередині еукаріот — або de novo з некодуючої ДНК (такий шлях теоретично можливий), або шляхом дупликацій і рекомбінацій фрагментів різного походження, які потім ще й швидко розійшлися (дивергували). Висновки, зроблені Мартіном і Брюкнер, відносяться тільки до консервативних генів, де архейна або бактеріальна спадкоємність ще добре помітна.

Проте ці результати переконливо і — найголовніше — математично точно показують, що нехтувати бактеріальною складовою еукаріотних геномів не можна ні в якому наближенні. Більше того, «якби еукаріот класифікували за геномом, ґрунтуючись на демократичних принципах, то вони були б віднесені до бактерій, а не до архівів», — пишуть Мартін і Брюкнер. Переважання бактеріальних генів зникає тільки у тих еукаріот, які є внутрішньоклітинними паразитами. Архійні гени набагато більш стійкі: це зрозуміло, вони забезпечують копіювання генетичної інформації і роботу рибосом, і замінити їх продукти не можна нічим.

На закінчення Мартін і Брюкнер звертають увагу на таке. Чим більше сучасні вчені дізнаються про архейних родичів еукаріот, тим більш різкою починає виглядати межа між еукаріотами і прокаріотами (під цією назвою, як відомо, об’єднуються всі неекаріотні клітинні організми, тобто бактерії та археї). Саме такі завжди були передбачення Вільяма Мартіна, і недавнє відкриття живих локіархів чудово їх підтвердило. Мартін вважає, що симбіогенез, що призвів до виникнення еукаріот — це процес, що не може бути несводимим до жодної суми поступових еволюційних переходів. Звичайно, як правило, еволюція поступова, але чому б з правила не бути виключенням? Адже еукаріотизація — одна з найбільш унікальних еволюційних подій. Вірні ці міркування чи ні, ми, ймовірно, через якийсь час зрозуміємо, але в будь-якому випадку геноми еукаріот можуть послужити чудовим джерелом інформації, що документує їх химерну ранню історію.

Джерело: J. Bruckner, W. F. Martin. Bacterial genes outnumber archaeal genes in eukaryotic genomes // Genome Biology and Evolution. 2020. DOI: 10.1093/gbe/evaa047.

Сергій Ястребов