Eukarionty: historia jego przodków archeologicznych

Tradycyjne grupowanie form życia na prokarionty i eukarioty zostało zrewidowane w 1977 r., kiedy charakterystyka sekwencji rRNA ujawniła, że ​​archeony (wówczas zwane „archebakteriami”) są „tak samo spokrewnione z bakteriami, jak bakterie z eukariotami”. To wymagało grupowania organizmów żywych na eubakterie (obejmujące wszystkie typowe bakterie), archeony i eukarionty. Pozostała kwestia pochodzenia eukariontów. W odpowiednim czasie zaczęły gromadzić się dowody przemawiające za archaeicznym pochodzeniem eukariontów. Szczególnie interesujące było odkrycie, że archeony z Asgardu mają w swoim genomie kilkaset genów eukariotycznych białek sygnaturowych (ESP). ESP odgrywają kluczową rolę w rozwoju charakterystycznych cech cytoszkieletu i złożonych struktur komórkowych eukariontów. W przełomowym badaniu opublikowanym 21 grudnia 2022 r. naukowcy poinformowali o udanej uprawie wzbogaconej kultury nieuchwytnych archeonów z Asgardu, którą zobrazowali za pomocą tomografii krioelektronowej. Zaobserwowali, że komórki Asgard rzeczywiście miały złożony cytoszkielet oparty na aktynie. Był to pierwszy bezpośredni wizualny dowód na archeologiczne pochodzenie eukariontów, znaczący krok w zrozumieniu pochodzenia eukariontów.  

Do 1977 roku formy życia na Ziemi były pogrupowane eukarionty (złożone formy charakteryzujące się włączeniem materiału genetycznego komórki do ściśle określonego jądra i obecnością cytoszkieletu) i prokarioty (prostsze formy życia z materiałem genetycznym w cytoplazmie bez określonego jądra, w tym bakterie i archaebakterie). Sądzono, że komórkowy eukarionty wyewoluowały około 2 miliardy lat temu, prawdopodobnie z prokariotów. Ale jak dokładnie powstały eukarionty? W jaki sposób złożone formy życia komórkowego są połączone z prostszymi formami życia komórkowego? To było duże otwarte pytanie w biologii.  

Postęp technologiczny w biologii molekularnej genów i białek pomógł zagłębić się w sedno problemu, gdy w 1977 r.tak samo spokrewnione z bakteriami, jak bakterie eukarionty".Wcześniejsze rozróżnienie form życia na prokarionty i eukarionty opierało się na różnicach fenotypowych na poziomie organelli komórkowych. Zamiast tego związek filogenetyczny powinien opierać się na szeroko rozpowszechnionej cząsteczce. Jedną z takich biomolekuł jest rybosomalny RNA (rRNA), który jest obecny we wszystkich systemach samoreplikujących się i którego sekwencje zmieniają się w bardzo niewielkim stopniu w czasie. Analiza oparta na charakterystyce sekwencji rRNA wymagała pogrupowania organizmów żywych w eubakterie (obejmujące wszystkie typowe bakterie), archaeai eukariontów¹.  

Następnie zaczęły pojawiać się dowody na bliższy związek między archeonami i eukariontami. W 1983 roku odkryto, że zależne od DNA polimerazy RNA archeonów i eukarionty są tego samego typu; oba wykazują uderzająco podobne właściwości immunochemiczne i oba wywodzą się ze wspólnej struktury przodków². Opierając się na wywnioskowanym złożonym drzewie filogenetycznym pary białek, inne badanie opublikowane w 1989 roku ujawniło bliższy związek archeonów z eukariontami niż z eubakteriami³. Do tego czasu archeologiczne pochodzenie eukarionty ustalono, ale dokładne gatunki archeonów pozostały do ​​zidentyfikowania i zbadania.  

Rozwój badań genomicznych po sukcesie w projekt genomu, zapewnił bardzo potrzebny bodziec do tego obszaru. W latach 2015-2020 kilka badań wykazało, że Asgard archaea niosą geny specyficzne dla eukariontów. Ich genomy są wzbogacone o białka uważane za specyficzne dla eukariontów. Badania te wyraźnie wykazały, że archeony Asgard mają genetyczną bliskość do eukariotów dzięki obecności setek genów eukariotycznych białek sygnaturowych (ESP) w ich genomie.  

Następnym krokiem była fizyczna wizualizacja wewnętrznej struktury piwnicy archeonów Asgardu w celu potwierdzenia roli ESP, ponieważ powszechnie uważa się, że ESP odgrywają kluczową rolę w tworzeniu złożonych struktur komórkowych. Do tego potrzebne były wysoce wzbogacone kultury tych archeonów, ale wiadomo, że Asgard jest nieuchwytny i tajemniczy. powodując trudności w uprawie w ilości wystarczającej do zbadania ich w laboratorium. Zgodnie z badaniem opublikowanym niedawno 21 grudnia 2022 r., ta trudność została już przezwyciężona.  

Naukowcy, po sześciu latach ciężkiej pracy, wypracowali techniki improwizowane iz powodzeniem wyhodowali w laboratorium wysoce wzbogaconą kulturę „Candidatus Lokiarchaeum ossiferum”, członek typu Asgard. Było to niezwykłe osiągnięcie, również dlatego, że umożliwiło naukowcom wizualizację i badanie wewnętrznych struktur komórkowych Asgardu.    

Do obrazowania hodowli wzbogaconej wykorzystano tomografię krioelektronową. Komórki Asgardu miały ciała komórek kokosowych i sieć rozgałęzionych wypukłości. Struktura powierzchni komórki była złożona. Cytoszkielet rozciąga się po ciałach komórkowych. Skręcone dwuniciowe włókna zawierają lokiaktynę (tj. homologi aktyny kodowane przez Lokiarchaeota). Zatem komórki Asgardu miały złożony cytoszkielet oparty na aktynie, co według badaczy poprzedzało ewolucję pierwszego eukarionty.  

Jako pierwszy konkretny fizyczny/wizualny dowód na archeologiczne pochodzenie eukariontów, jest to niezwykły postęp w biologii.

*** 

Referencje:  

1. Woese CR i Fox GE, 1977. Struktura filogenetyczna domeny prokariotycznej: królestwa pierwotne. Opublikowano w listopadzie 1977 r. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Huet, J., i wsp 1983. Archebakterie i eukarionty posiadają zależne od DNA polimerazy RNA wspólnego typu. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Iwabe, N., i wsp 1989. Ewolucyjny związek archebakterii, eubakterii i eukariotów wywnioskowany z drzew filogenetycznych zduplikowanych genów. proc. Natl Acad. nauka Stany Zjednoczone 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Rodrigues-Oliveira, T., i wsp. 2022. Cytoszkielet aktynowy i złożona architektura komórki w archeonie Asgardu. Opublikowano: 21 grudnia 2022 r. Natura (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***