Молекулярные машины и системы типа 1 в общем следуют главному направлению эволюции эукариот — а именно возникновению серийных дупликаций генов, а в дальнейшем множественных версий: там, где архейный комплекс состоит из множества копий одного или двух белков, более сложная эукариотическая версия вместо этого содержит множественные паралогичные субъединицы (Makarova et al., 2005; см. табл. 7-2).
В качестве примера систем типа 2 можно привести типичную эукариотическую молекулярную машину, комплекс ядерной поры, для которой у прокариот нет функциональных аналогов. Примечательно, что ничто не указывает на происхождение комплекса ядерной поры от архей. Он построен из различных белков явно бактериального происхождения в комбинации с белками, состоящими из простых повторов, источник которых трудно установить (Mans et al., 2004). Напротив, аппарат РНК-интерференции, система антивирусной защиты (врожденный иммунитет) и система регуляции экспрессии у эукариот, привлекающая такое внимание в последнее десятилетие, отчасти благодаря исключительному значению в качестве экспериментального инструмента, явно демонстрируют химерное, архейно-бактериальное происхождение (Shabalina and Koonin, 2008). Например, один из ключевых белков РНК-интерференции, эндонуклеаза Dicer, состоит из двух доменов бактериальной РНКазы III и геликазного домена явно эуриархейного происхождения; другой важный белок РНК-интерференции, Argonaute, также демонстрирует родство с эуриархеями (Shabalina and Koonin, 2008). Еще одна характерная для эукариот молекулярная машина — сплайсосома — в какой-то степени является промежуточной между эукариотическими системами первого и второго типа (Collins and Penny, 2005). Sm-белки, составляющие сердцевину сплайсосомы, имеют легко идентифицируемые архейные ортологи, однако они участвуют не в сплайсинге, а в других видах реакций процессинга РНК; более того, сплайсосомы в собственном смысле этого слова обнаруживаются только у эукариот.
Взятые в совокупности, филогенетические наблюдения подсказывают, что архейный предок эукариот сочетал разнообразие черт, обнаруживаемых по отдельности в различных ныне существующих археях. Эволюционные реконструкции, использующие принцип наибольшей экономии и, в особенности, развитые методы наибольшего правдоподобия, указывают на генетическую сложность общего предка всех ныне существующих архей — по меньшей мере, по сравнению с типичными ныне существующими формами, но вполне вероятно обладавшего даже большим разнообразием генов (Csuros and Miklos, 2009; Makarova et al., 2007b). Линии ныне существующих архей, вероятно, возникли путем дифференциальной оптимизации и редуктивной эволюции сложных предковых форм (больше об этой линии эволюции в гл. 8), тогда как эукариоты в большой степени сохранили предковую сложность (Makarova et al., 2010). Разнообразие источников происхождения различных функциональных систем эукариотических клеток имеет важнейшие последствия для моделей эукариогенеза, которые мы обсудим ниже в этой главе.
Эукариогенез: источники уникальной эукариотической клеточной организации
Сценарий симбиогенеза в сравнении с архезойным сценарием
Многочисленные филогенетические наблюдения, кратко изложенные в предыдущем разделе, не объясняют, откуда возникла эукариотическая клетка, однако создают необходимый фундамент для построения сценариев эукариогенеза. В табл. 7-3 перечисляются самые важные наблюдения, которые должны быть включены в любое эволюционное объяснение происхождения эукариот (эукариогенез) и ранних стадий их эволюции. С учетом этих наблюдений главный вопрос сейчас касается роли эндосимбиоза: был ли он причиной всей цепи событий, приведших к появлению LECA, то есть стволовой фазы эволюции эукариот, как в сценарии симбиогенеза, или же это был шаг в эволюции уже сформировавшейся эукариотической клетки, как в архезойном сценарии? Другими словами, был ли хозяин альфа-протеобактериального эндосимбионта (будущей митохондрии) прокариотом или амитохондриальным эукариотом, то есть архезоем?
Таблица 7-3
Ключевые пункты, которые необходимо принимать во внимание при моделировании эукариогенеза
• Все ныне существующие эукариоты имеют митохондрии или родственные органеллы, поэтому эндосимбиоз должен предшествовать LECA.
• LECA представлял собой организм высокой сложности, уже имел все характерные функциональные системы эукариот и, вероятно, был типичной эукариотической клеткой, поэтому все ключевые инновации эукариогенеза должны были произойти в стволовой фазе эволюции, до LECA. Среди прочего, эти инновации включают появление интронов и сплайсосом.
• Продолжительность стволовой фазы неизвестна, но есть определенная вероятность, что она была долгой и что существовало значительное разнообразие эукариот до LECA.
• Высококонсервативные гены эукариот представлены в виде химерного набора: меньшая часть — гены, кодирующие системы передачи информации и некоторые другие молекулярные машины, такие как аппарат деления клетки, — восходят к археям, тогда как большая часть — гены метаболических ферментов — происходят от бактерий.
• Некоторые ключевые функциональные системы эукариотической клетки, такие как РНК-интерференция или пути репарации, являются археобактериальными химерами. Другие важнейшие молекулярные машины эукариотической клетки, такие как комплекс ядерной поры, по-видимому, имеют преимущественно бактериальное происхождение.
• Предки эукариотических генов разбросаны среди архейных и бактериальных групп.
С учетом того, что эукариогенез, вероятнее всего, был единичным событием и что промежуточные эволюционные стадии между возникновением первых эукариотических клеток и появлением LECA почти недоступны для сравнительной геномики или любых других возможных методов, можно усомниться, что на эти вопросы когда-либо будут получены исчерпывающие ответы. Но это не значит, что их следует считать принципиально неразрешимыми. Присутствие митохондрий или МПО у всех ныне существующих эукариот часто привлекается в качестве аргумента в поддержку симбиогенетического сценария, однако этот аргумент сильно, если не безнадежно падает в цене, если принять версию долгой стволовой фазы в эволюции эукариот. Действительно, темные века могли принадлежать вымершим архезоа, из которых только одна группа, «приручившая» альфа-протеобактерии, выжила и дала начало всему современному разнообразию эукариот. Тем не менее симбиогенетический сценарий все же кажется более приемлемым, чем архезойный сценарий, по трем принципиальным причинам.
1. Архезойный сценарий не предлагает конкретных факторов отбора, обусловливающих эволюцию ядра и в особенности развитие комплекса ядерной поры. Ядро разрушает сопряжение транскрипции и трансляции, типичное для бактерий и архей, и влечет за собой эволюцию время- и энергозатратного механизма ядерно-цитозольного транспорта мРНК. Симбиогенетическая гипотеза предлагает приемлемый фактор отбора: защиту от инвазии генома хозяина самосплайсирующимися интронами группы II (это настоящие эгоистичные генетические элементы — о них пойдет речь в гл. 8), эволюционными предшественниками сплайсосомных интронов, которые распространены у альфа-протеобактерий, но не у Archaea. Непрестанное воздействие на геном архейного хозяина со стороны ДНК бактериального эндосимбионта из разрушенных клеток последнего могло приводить к активации интронов группы II и их массированному встраиванию в геном хозяина. Такие встроенные интроны должны были фатально нарушать экспрессию генов, если только транскрипция и трансляция не были разобщены и компартментализованы, становясь таким образом движущей силой эволюции ядра (см. подробности в следующем разделе).
