Eukariotai: Archealinių protėvių istorija

Tradicinis gyvybės formų grupavimas į prokariotus ir eukariotus buvo peržiūrėtas 1977 m., kai rRNR sekos apibūdinimas atskleidė, kad archėjos (tuo metu vadinamos „archebakterijomis“) „yra taip toli su bakterijomis, kaip bakterijos su eukariotais“. į eubakterijas (įskaitant visas tipiškas bakterijas), archajas ir eukariotus. Išliko eukariotų kilmės klausimas. Atėjus laikui, pradėjo kauptis įrodymai, patvirtinantys archeologinius eukariotų protėvius. Ypač įdomu buvo tai, kad Asgard archaea genome turi kelis šimtus eukariotų parašo baltymų (ESP) genų. ESP vaidina lemiamą vaidmenį kuriant citoskeletą ir sudėtingas eukariotų ląstelių struktūras. 21 m. gruodžio 2022 d. paskelbtame proveržio tyrime mokslininkai pranešė, kad sėkmingai auginama praturtinta nepagaunamų Asgard archėjų kultūra, kurią jie atvaizdavo naudodami krioelektroninę tomografiją. Jie pastebėjo, kad Asgard ląstelės iš tikrųjų turėjo sudėtingą aktino pagrindu pagamintą citoskeletą. Tai buvo pirmasis tiesioginis vaizdinis eukariotų archeologinės kilmės įrodymas, reikšmingas žingsnis siekiant suprasti eukariotų kilmę.  

Iki 1977 m. gyvybės formos Žemėje buvo grupuojamos į eukariotai (sudėtingos formos, kurioms būdingas ląstelės genetinės medžiagos įtraukimas į aiškiai apibrėžtą branduolį ir citoskeleto buvimas) ir prokariotai (paprastesnės gyvybės formos su genetine medžiaga citoplazmoje be nurodyto branduolio, įskaitant bakterijas ir archebakterijas). Buvo manoma, kad korinio eukariotai išsivystė maždaug prieš 2 milijardus metų, tikriausiai iš prokariotų. Bet kaip tiksliai atsirado eukariotai? Kaip sudėtingos ląstelių gyvybės formos yra sujungtos su paprastesnėmis ląstelių gyvybės formomis? Tai buvo didelis atviras klausimas biologijoje.  

Technologinė pažanga genų ir baltymų molekulinėje biologijoje padėjo įsigilinti į problemos esmę, kai 1977 m. buvo nustatyta, kad archėjos (tuomet vadintos „archebakterijomis“) yra „taip toli giminingos bakterijoms, kaip ir bakterijos eukariotai".Ankstesnis gyvybės formų skirstymas į prokariotus ir eukariotus buvo pagrįstas fenotipiniais skirtumais ląstelių organelių lygyje. Vietoj to, filogenetinis ryšys turėtų būti pagrįstas plačiai paplitusia molekule. Ribosominė RNR (rRNR) yra viena iš tokių biomolekulių, kurios yra visose savaime besidauginančiose sistemose ir kurių sekos laikui bėgant keičiasi labai mažai. Atlikus analizę, pagrįstą rRNR sekos apibūdinimu, reikėjo suskirstyti gyvus organizmus į eubakterijas (įskaitant visas tipiškas bakterijas), archėjos, ir eukariotai¹.  

Vėliau atsiranda įrodymų, kad archėjos ir eukariotų glaudesni santykiai. 1983 metais buvo nustatyta, kad nuo DNR priklausomos RNR polimerazės archea ir eukariotai yra to paties tipo; abu pasižymi stulbinamai panašiomis imunocheminėmis savybėmis ir abu yra kilę iš bendros protėvių struktūros². Remiantis numanomu sudėtiniu baltymų poros filogenetiniu medžiu, kitas tyrimas, paskelbtas 1989 m., atskleidė artimesnį archajų ryšį su eukariotais nei su eubakterijomis.³. Iki to laiko archeinė kilmė eukariotai buvo nustatytas, tačiau tikslios archeologinės rūšys dar turi būti nustatytos ir ištirtos.  

Genominių tyrimų augimas po sėkmės genomo projektas, suteikė labai reikalingą užpildą šiai sričiai. 2015–2020 m. keliuose tyrimuose nustatyta, kad Asgard archėjos turi eukariotams būdingus genus. Jų genomai yra praturtinti baltymais, kurie laikomi specifiniais eukariotams. Šie tyrimai aiškiai nustatė, kad Asgard archaea turi artimiausią genetinį artumą eukariotams dėl to, kad jų genome yra šimtai eukariotų parašo baltymų (ESP) genų.  

Kitas žingsnis buvo fiziškai vizualizuoti vidinę Asgard archajų rūsio struktūrą, kad būtų patvirtintas ESP vaidmuo, kaip plačiai manoma, kad ESP vaidina pagrindinį vaidmenį formuojant sudėtingas ląstelių struktūras. Tam reikėjo labai praturtintų šios archeijos kultūrų, tačiau žinoma, kad Asgardas yra sunkiai įveikiamas ir paslaptingas. sukelia sunkumų auginant pakankamai didelius kiekius, kad būtų galima juos ištirti laboratorijoje. Remiantis neseniai 21 m. gruodžio 2022 d. paskelbtu tyrimu, šis sunkumas jau įveiktas.  

Tyrėjai po šešerių sunkaus darbo metų improvizavo metodus ir sėkmingai išugdė laboratorijoje labai praturtintą kultūrą.Candidatus Lokiarchaeum ossiferum“, Asgardo prieglobsčio narys. Tai buvo puikus pasiekimas, nes tai leido tyrėjams vizualizuoti ir ištirti vidines Asgardo ląstelių struktūras.    

Krioelektroninė tomografija buvo naudojama sodrinimo kultūrai vaizduoti. Asgardo ląstelės turėjo kokoidinių ląstelių kūnus ir išsišakojusių išsikišimų tinklą. Ląstelių paviršiaus struktūra buvo sudėtinga. Citoskeletas išsiplėtė per visą ląstelių kūną. Susuktus dvigrandžius siūlus sudaro lokiaktinas (ty aktino homologai, užkoduoti Lokiarchaeota). Taigi, Asgardo ląstelės turėjo sudėtingą aktino pagrindu sukurtą citoskeletą, kurį mokslininkai siūlo prieš pirmojo evoliuciją. eukariotai.  

Kaip pirmasis konkretus fizinis / vizualinis eukariotų archeologinės kilmės įrodymas, tai yra nepaprasta pažanga biologijoje.

*** 

Nuorodos:  

1. Woese CR ir Fox GE, 1977. Prokariotų srities filogenetinė struktūra: pirminės karalystės. Paskelbta 1977 m. lapkričio mėn. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Huetas, J. et al 1983. Archebakterijos ir eukariotai turi bendro tipo nuo DNR priklausomas RNR polimerazes. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Iwabe, N., et al 1989. Archebakterijų, eubakterijų ir eukariotų evoliuciniai ryšiai, numanomi iš pasikartojančių genų filogenetinių medžių. Proc. Natl Akad. Sci. USA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Rodriguesas-Oliveira, T., et al. 2022. Aktino citoskeletas ir sudėtinga ląstelių architektūra Asgardo archeone. Publikuota: 21 m. gruodžio 2022 d. Gamta (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***