Традиционная группировка форм жизни на прокариот и эукариот была пересмотрена в 1977 году, когда характеристика последовательности рРНК показала, что археи (тогда называемые «архебактериями») «столь же отдаленно связаны с бактериями, как бактерии с эукариотами». Это потребовало группировки живых организмов. на эубактерии (включая все типичные бактерии), археи и эукариоты. Оставался вопрос о происхождении эукариот. Со временем начали накапливаться доказательства в пользу архейного происхождения эукариот. Особый интерес вызвало открытие, что археи Асгарда имеют в своем геноме несколько сотен генов эукариотических сигнатурных белков (ESP). ESP играют решающую роль в развитии характеристик цитоскелета и сложных клеточных структур эукариот. В революционном исследовании, опубликованном 21 декабря 2022 года, исследователи сообщили об успешном культивировании обогащенной культуры неуловимых архей Асгарда, которые они визуализировали с помощью криоэлектронной томографии. Они обнаружили, что клетки Асгарда действительно имели сложный цитоскелет на основе актина. Это было первое прямое визуальное свидетельство архейного происхождения эукариот, важный шаг в понимании происхождения эукариот.
До 1977 года формы жизни на Земле были сгруппированы в эукариоты (сложные формы, характеризующиеся включением генетического материала клетки в четко выраженное ядро и наличием цитоскелета) и прокариоты (более простые формы жизни с генетическим материалом в цитоплазме без определенного ядра, включая бактерии и архебактерии). Считалось, что клеточные эукариоты произошли около 2 миллиардов лет назад, вероятно, от прокариот. Но как именно возникли эукариоты? Как сложные клеточные формы жизни связаны с более простыми клеточными формами жизни? Это был большой открытый вопрос в биологии.
Технологические достижения в области молекулярной биологии генов и белков помогли проникнуть в суть проблемы, когда в 1977 году было обнаружено, что археи (тогда называемые «архебактериями»)так же отдаленно связаны с бактериями, как бактерии с эукариотами».Ранее разделение форм жизни на прокариот и эукариот основывалось на фенотипических различиях на уровне клеточных органелл. Вместо этого филогенетические отношения должны основываться на широко распространенной молекуле. Рибосомная РНК (рРНК) является одной из таких биомолекул, которая присутствует во всех самовоспроизводящихся системах и последовательности которой очень мало меняются со временем. Анализ, основанный на характеристике последовательности рРНК, потребовал объединения живых организмов в эубактерии (включая все типичные бактерии), археи, и эукариоты1.
Впоследствии стали появляться свидетельства более тесного родства архей и эукариот. В 1983 г. было обнаружено, что ДНК-зависимые РНК-полимеразы архей и эукариот относятся к одному типу; оба демонстрируют поразительно схожие иммунохимические свойства, и оба произошли от общей наследственной структуры.2. Другое исследование, опубликованное в 1989 г., основанное на предполагаемом составном филогенетическом дереве пары белков, выявило более тесную связь архей с эукариотами, чем с эубактериями.3. К этому времени было установлено архейное происхождение эукариот, но точные виды архей еще предстояло идентифицировать и изучить.
Рост геномных исследований после успеха геномный проект, придал столь необходимый импульс этой области. В период с 2015 по 2020 год несколько исследований показали, что Асгард археи несут специфические эукариотические гены. Их геномы обогащены белками, которые считаются специфическими для эукариот. Эти исследования ясно показали, что археи Асгарда имеют наибольшую генетическую близость к эукариотам благодаря наличию сотен генов эукариотических сигнатурных белков (ESP) в их геноме.
Следующим шагом была физическая визуализация внутренней клеточной структуры архей Асгарда, чтобы подтвердить роль ESP, поскольку широко распространено мнение, что ESP играют ключевую роль в формировании сложных клеточных структур. Для этого нужны были высокообогащенные культуры этих архей, но Асгард, как известно, неуловим и загадочен. вызывает трудности при культивировании в достаточно большом количестве, чтобы изучать их в лаборатории. Согласно исследованию, опубликованному недавно 21 декабря 2022 года, эта трудность теперь преодолена.
После шести лет напряженной работы исследователи разработали импровизированные методы и успешно вырастили в лаборатории высокообогащенную культуру 'Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', представитель типа Асгард. Это было замечательным достижением еще и потому, что это позволило исследователям визуализировать и изучить внутренние клеточные структуры Асгарда.
Криоэлектронную томографию использовали для изображения накопительной культуры. Клетки Асгарда имели тела кокковидных клеток и сеть разветвленных выростов. Структура клеточной поверхности была сложной. Цитоскелет простирается по всему телу клетки. Скрученные двухцепочечные филаменты содержат Lokiactin (т.е. гомологи актина, кодируемые Lokiarchaeota). Таким образом, клетки Асгарда имели сложный цитоскелет на основе актина, который, как предполагают исследователи, предшествовал эволюции первых эукариот.
Как первое конкретное физическое/визуальное свидетельство архейного происхождения эукариот, это замечательный прогресс в биологии.
Ссылки:
- Woese CR и Fox GE, 1977. Филогенетическая структура прокариотического домена: первичные царства. Опубликовано в ноябре 1977 г. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088
- Хьют, Дж., и др. 1983. Архебактерии и эукариоты обладают ДНК-зависимыми РНК-полимеразами общего типа. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x
- Ивабе, Н., и др. 1989. Эволюционные отношения архебактерий, эубактерий и эукариот, выведенные из филогенетических деревьев дублированных генов. проц. Натл акад. науч. США 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355
- Родригес-Оливейра, Т., и др.. 2022. Актиновый цитоскелет и сложная клеточная архитектура у археи Асгарда. Опубликовано: 21 декабря 2022 г. Природа (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y
