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).
2. Как было обрисовано в предыдущем разделе, совокупность геномных, ультраструктурных и функциональных исследований прокариот, особенно архей, показывает, что не только молекулярные компоненты многих характерных эукариотических систем, но также и их современная структура и функции возникли уже у архей и таким образом предшествовали эукариогенезу (системы типа 1 обсуждались ранее; см. табл. 7–2). Однако система внутренних мембран и ядро, так же как сами митохондрии, прерывающие белоккодирующие гены интроны и сплайсосомы, которые отвечают за сплайсинг экзонов (вырезание интронов), являются системами (признаками) типа 2. Эти системы не имеют функциональных аналогов у прокариот, хотя они, по-видимому, и собраны из прокариотических компонентов. Таким образом, приемлемой выглядит единая причинно-следственная цепочка событий (см. рис. 7–6): эукариогенез был инициирован эндосимбиозом, а система внутренних мембран, включающая ядро, развилась как защита против инвазий интронов группы II и, может быть, вообще бактериальной ДНК (Martin and Koonin, 2006a; Lopez-Garcia and Moreira, 2006). Вряд ли случайно, что многие ключевые компоненты этих эндомембранных систем явно имеют бактериальное происхождение, тогда как другие являются белками, состоящими из повторов, которые могли возникнуть de novo.
Рис. 7–6. Возникновение эукариотической клеточной организации как многоуровневой системы защиты против инвазии интронов: гипотетическая единая причинно-следственная цепь. По Koonin, 2006.
3. Простые оценки, произведенные Ником Лейном и Биллом Мартином, свидетельствуют о том, что возникновение больших, сложных клеток, подобных эукариотическим, вряд ли энергетически возможно без приобретения множественных энергопродуцирующих органелл, способных к автономной репродукции и регуляции (Lane and Martin, 2010). У прокариот белковые комплексы, включая электронтранспортную цепь и мембранную АТФ-синтазу, превращающие энергию протонного либо натриевого градиента в АТФ, расположены на плазматической мембране. Биогенез этих комплексов неразрывно сопряжен с синтезом их субъединиц, высокогидрофобных белков, которые встраиваются в мембрану котрансляционным путем. Поскольку поверхность клетки пропорциональна квадрату ее диаметра, тогда как объем пропорционален кубу диаметра, увеличение размера клетки в какой-то момент делает эту биоэнергетическую модель неэффективной и, таким образом, неприемлемой. В настоящее время мы знаем только два пути к эффективной биоэнергетике, которые потенциально могут инициировать эволюцию больших клеток. Первый путь использовали эукариоты, обладающие множеством энергопроизводящих органелл эндосимбиотического происхождения в каждой клетке. Второй путь реализован в некоторых недавно открытых гигантских бактериях, которые содержат множество копий геномной ДНК в каждой клетке (более 10 тысяч у симбионта рыб Epulopiscium sp.; Mendell et al., 2008). Каждая копия хромосомы, по-видимому, прикреплена к мембране, так что синтез мембранных белков, в том числе ответственных за трансформацию энергии, наверняка тесно сопряжен с встраиванием этих белков в мембрану. В отличие от эукариотического решения, это второе изобретение больших клеток не предполагает резкого уменьшения генома, ключевого признака митохондрий, который вносит вклад в эффективность энергетики эукариотической клетки, и не породило разнообразия сложных жизненных форм.
Против сценария симбиогенеза было выдвинуто несколько возражений (Kurland et al., 2006; Poole and Penny, 2007). Во-первых, прокариотические эндосимбионты в прокариотических хозяевах не распространены, и это внушает мысль, что фагоцитоз, который явно уникален для эукариотических клеток, совершенно необходим для захвата митохондрий. Этот аргумент неубедителен по четырем причинам:
1. Эукариогенез является исключительно редким, возможно единичным событием в истории развития жизни. Как уникальное (или почти уникальное) событие, он совсем не обязательно должен был требовать механизма, который бы рутинно функционировал у хозяина первичного эндосимбионта.
2. Эндосимбиотические бактерии внутри других бактерий не часто, но все-таки встречаются (von Dohlen et al., 2001). Внутриклеточное хищничество бактерий тоже могло стать путем, ведущим к эндосимбиозу (Davidov and Jurkevitch, 2009).
3. Обнаружение эукариотических систем перестройки мембран и гомологов актина белками у архей (Makarova et al., 2010; Yutin et al., 2009) указывает на возможность существования еще не обнаруженных механизмов для захвата других прокариот, сходных с примитивным фагоцитозом.
4. Компьютерное моделирование свидетельствует о том, что дифференциация клеточных форм жизни в хищников и жертв исходно присуща эволюции клеток и поэтому могла возникнуть вскоре после появления первых клеток (de Nooijer et al., 2009).
Во-вторых, потенциально сильным аргументом против сценария симбиогенеза может быть существование значительного числа характерных белков эукариот (ХБЭ), то есть белков, обнаруживаемых только у эукариот. Происхождение ХБЭ загадочно. Однако, как уже упоминалось в предыдущем разделе в отношении характерных эукариотических функциональных систем, тщательные исследования последовательностей и структур приводят к идентификации растущего числа архейных и бактериальных гомологов белков, которые первоначально считались ХБЭ, либо существование таких гомологов становится очевидным с появлением новых секвенированных геномов. Открытие прокариотических гомологов тубулина, актина и убиквитина – хорошо известные примеры; более новые включают так называемые субъединицы GINS эукариотических комплексов репликации ДНК (Marinsek et al., 2006), системы ESCRT-III (Makarova et al., 2010) и субъединицы комплекса TRAPP (Barrowman et al., 2010), играющие ключевые роли в эукариотическом транспорте везикул. Согласно сценарию симбиогенеза, ХБЭ (бывшие и до сих пор сохраняющие этот статус) возникли в результате ускорения эволюции генов, функции которых существенно изменились в ходе эукариогенеза; другим важным путем эволюции ХБЭ могла быть дифференциация простых повторяющихся белковых структур, ведущая к возникновению уникальных глобулярных укладок (Aravind et al., 2006).
