Чтение онлайн

Рис. 7–3. Эволюция эукариот до и после LECA: а – сценарий «взрыва» с короткой стволовой фазой в эволюции; б – сценарий с продолжительной стволовой фазой ствола и значительным вымершим разнообразием, предшествовавшим LECA.

Молекулярная датировка событий эволюционного расхождения – весьма специализированная область исследований с множеством сложных технических проблем (Bromham and Penny, 2003; Graur and Martin, 2004). Нам придется пропустить основную часть технических подробностей и перейти прямо к результатам. Заметим что принцип состоит в том, чтобы сопоставить молекулярные данные о дивергенции (то есть результаты сравнения последовательностей, привязанные к филогенетическому древу) с палеонтологическими свидетельствами, используя нескольких точно датированных ископаемых в качестве калибровочных точек (например, самые ранние несомненные ископаемые млекопитающие датируются примерно 120 миллионами лет назад, так что это – самое позднее время начала распространения млекопитающих). Принимая строгие или нестрогие молекулярные часы, можно получить временную оценку для любого события дивергенции относительно взятых калибровочных точек и для данной топологии древа. Такие оценки могут быть достаточно достоверны, когда они представляют собой интерполяцию (то есть вывод о времени дивергенции внутри временного интервала, ограниченного калибровочными точками), но гораздо менее надежны, если получены путем экстраполяции (даты за пределами калибровочного интервала). К сожалению, для древних датировок, таких как возраст LECA, экстраполяция неизбежна. Временные оценки, полученные разными исследователями, охватывают чрезвычайно широкий диапазон дат между 1000 миллионами лет назад и 2300 миллионами лет назад. Несколько недавних, независимых и технически продвинутых исследований, использовавших нестрогие модели молекулярных часов или РГИ с похожим поведением в ходе эволюции, независимо привели к концепции «молодого LECA», которая помещает первичное расхождение эукариот в промежуток примерно от 1100 до 1300 миллионов лет назад (Chernikova et al., 2011; Douzery et al., 2004). Конечно, проблема не решена, но это, по-видимому, наилучшая из имеющихся на сегодня оценок возраста LECA. Из такой оценки следует долгая стволовая фаза в несколько сотен миллионов лет (см. рис. 7–3б), поскольку не вызывающие сомнений окаменелости эукариот относятся ко времени более чем 1500 миллионов лет назад (Knoll et al., 2006).

Этот вывод заставляет серьезно переоценить наши современные знания о ранней эволюции эукариот. С одной стороны, результаты реконструкции, описывающие LECA как одноклеточного эукариота современного типа с полностью развитыми характерными функциональными системами эукариотической клетки, становятся менее неожиданными: действительно, похоже, что имелось достаточно времени для эволюции этих черт с момента появления (примитивной) эукариотической клетки. То же самое верно и для ряда генных дупликаций, отнесенных к LECA: согласно сценарию длинного ствола, они не произошли взрывообразно; было достаточно времени, чтобы гены дуплицировались постепенно. С другой стороны, стволовая фаза – это настоящие темные века в эволюции эукариот: мы не знаем о них почти ничего и можем надеяться узнать предельно мало. В самом деле, LECA по сути является «горизонтом событий» для сравнительной геномики: используя только сравнение геномов, мы не можем заглянуть в фазу ствола. Можно получить некоторое представление о том, что тогда происходило, тщательно изучая дупликации предковых эукариотических генов, но это практически единственный источник информации о стволовой фазе. Мы не имеем представления о реальном разнообразии эукариот темных веков, и надежда на то, что мы сможем оценить его в будущем, очень мала. Данные ископаемых выявляют некоторое разнообразие, но эта летопись никогда не будет полной, и трудно даже сказать, насколько она неполна. За немногими исключениям, ископаемые останки эукариот раннего и среднего протерозоя вряд ли представляют какой-нибудь из существующих ныне таксонов – наблюдение, которое следует интерпретировать осторожно, но которое в принципе согласуется со сценарием «молодого LECA» и идеей о существовании некоторого вымершего разнообразия, которое в настоящее время недоступно для наблюдения (см. рис. 7–3б). Очевидна возможность, что LECA был тем организмом-«первооткрывателем», который захватил митохондриального эндосимбионта, и что эндосимбиоз инициировал распространение дошедших до нас эукариот. Из этого сценария следует, что предки LECA, разнообразные эукариотические Protozoa, представляют вымершую, первично амитохондриальную биоту Archezoa. Однако есть другая, возможно более убедительная версия – что митохондриальный эндосимбиоз на самом деле дал начало появлению эукариот как таковому, так что эукариоты темных веков уже содержали митохондрии либо МПО. Мы обсудим эту дилемму и доводы в поддержку гипотезы об инициированном эндосимбиозом возникновении эукариот ниже в этой главе, после того как рассмотрим связи между эукариотами и прокариотами, обнаруженные путем сравнения геномов.

Все эукариоты являются гибридными (химерными) организмами как в смысле клеточной организации, так и в отношении набора генов. Действительно, как отмечалось ранее в этой главе, все ныне существующие эукариоты, по-видимому, обладают митохондриями либо МПО, произошедшими от альфа-протеобактерий, а растения и многие группы Chromalveolata к тому же содержат пластиды, произошедшие от цианобактерий. Набор генов у эукариот представляет собой разнородную смесь генов, вероятно происходящих от архей, генов с наиболее вероятным бактериальным происхождением и генов неизвестного происхождения, считающихся в настоящее время специфическими для эукариот. Может показаться парадоксальным, что, хотя филогенетические деревья, основанные на генах рРНК и соединенных последовательностях белков, участвующих в передаче информации, таких как полимеразы, рибосомальные белки и субъединицы сплайсосом, уверенно объединяют архей и эукариот, независимые сравнения полных геномов сходятся на том, что у эукариот в три и более раза больше генов с ближайшими бактериальными гомологами, чем с ближайшими архейными гомологами (см. рис. 7–4; Esser et al., 2004; Koonin et al., 2004; Makarova et al., 2005). Архейный набор значительно обогащен генами, связанными с функциями обработки информации (трансляция, транскрипция, репликация, сплайсинг), тогда как бактериальный набор кодирует в основном ферменты метаболизма, мембранные белки и компоненты биогенеза мембран, различные сигнальные молекулы и другие «операциональные» белки (подробнее см. ниже в этой главе).

Рис. 7–4. Распределение генов двух дальнородственных эукариот, согласно их предполагаемому происхождению: архейные, бактериальные либо специфичные для эукариот. Последовательности всех кодируемых белков гриба Tuber melanosporum (черный трюфель) и зеленой водоросли Ostreococcus lucimarinus сравнивались с базой данных NCBI RefSeq программой BLASTP (Altschul et al., 1997), а предполагаемое филогенетическое родство для каждого белок-кодирующего гена определялось с использованием специально написанной программы. Стоит отметить похожие, относительно небольшие фракции генов очевидно альфа-протеобактериального происхождения и более крупную фракцию цианобактериальных генов у водоросли.

В первом приближении эти наблюдения прекрасно согласуются со сценарием слияния геномов, согласно которому эукариотический геном появился путем слияния двух предковых геномов, архейного (или родственного археям) и бактериального (вероятнее всего, альфа-протеобактериального), учитывая хорошо установленное происхождение митохондриального эндосимбионта (Embley and Martin, 2006; Rivera and Lake, 2004). Слияние геномов проще всего интерпретировать как отражение симбиогенеза. Однако попытки точно указать конкретных архейных и бактериальных «родителей» не дают однозначных результатов и, по-видимому, свидетельствуют о сложных эволюционных связях. Хотя многие из «бактериальных» генов эукариот имеют альфа-протеобактериальные гомологи, они отнюдь не преобладают среди «бактериальных» генов, показывающих явное эволюционное родство с множеством групп бактерий (см. рис. 7–4). Важная причина этого сложного распределения бактериального компонента в наборе эукариотических генов – большой размер пангенома альфа-протеобактерий (см. гл. 5). Таким образом, не идентифицировав реальную альфа-протеобактерию, давшую начало эукариотическим митохондриям, трудно определить ее генетический вклад (Martin, 1999; Esser et al., 2007). Наряду с этой неопределенностью относительно набора генов эндосимбионта невозможно исключить многочисленные источники бактериальных генов, помимо альфа-протеобактериального эндосимбионта, давшего начало митохондриям. В частности, какова бы ни была истинная природа архейного предка эукариот, он, вероятно, жил при умеренных температурах и вообще не в экстремальных условиях и постоянно пребывал в контакте с разнообразным бактериальным сообществом. Современные археи с подобным образом жизни (например, Methanosarcina) имеют ряд генов, происходящих из различных бактериальных источников, что указывает на широкомасштабный горизонтальный перенос генов от бактерий (см. гл. 5). Таким образом, архейный хозяин эндосимбионта мог уже иметь много бактериальных генов, что отчасти объясняет наблюдаемое преобладание и разнообразие «бактериальных» генов у эукариот.

Идентификация архейного родителя эукариот даже более трудна, чем идентификация бактериального предка (предков), поскольку не имеется однозначных данных, определяющих предковую ветвь архей, в отличие от ветви альфа-протеобактерий, однозначно идентифицируемого источника митохондрий. Филогеномные исследования, использующие различные методы, указывают на ветви архей (Crenarchaeota, Euryarchaeota, Thaumarchaeota или неизвестная глубокая ветвь) как лучших кандидатов на роль предка эукариот (Cox et al., 2008; Kelly et al., 2010; Pisani et al., 2007; Yutin et al., 2008). Однозначная идентификация таких глубоких эволюционных отношений представляет огромные трудности. Более того, некоторые из этих исследований свидетельствуют о возможности того, что архейное наследие эукариот на самом деле является смешанным, с наибольшей долей генов, унаследованных от глубоких ветвей, за которой следует вклад Crenarchaeota (Thaumoarchaeota) и Euryarchaeota (см. рис. 7–5; Yutin et al., 2008). Эти наблюдения наводят на мысль о том, что архейный родитель эукариот принадлежал к (возможно вымершей) глубокой ветви архей с геномом высокой сложности (Makarova et al., 2010). Такое предположение хорошо согласуется с результатами сравнительно-геномных реконструкций, которые указывают на сложных архейных предков (Csuros and Miklos, 2009; Makarova et al., 2007b; см. обсуждение далее в этой главе).

Рис. 7–5. Вклад различных групп архей в происхождение эукариот. Показан процент генов, унаследованных от архей и наиболее вероятно произошедших от Euryarchaeota, Crenarchaeota и глубоких ветвей. Данные по Yutin et al., 2008.

Другая важная тема, возникающая из сравнительного анализа геномов, – это вопрос о взаимоотношениях между вкладами архей и бактерий в происхождение специфичных для эукариот функциональных систем, и особенно о смешанном архейно-бактериальном происхождении некоторых из этих систем. В принципе существует два типа родственных связей между функциональными системами эукариот и прокариот (см. табл. 7–2):

1. Эукариотические системы, возникшие из гомологичных и функционально аналогичных систем прокариот.

2. Эукариотические системы, возникшие путем сборки из компонентов, которые у прокариот вовлечены в функционально иные, часто разные процессы, иногда вместе с дополнительными белками, которые, по-видимому, специфичны для эукариот.

Таблица 7–2. Предполагаемое происхождение некоторых ключевых функциональных систем и молекулярных аппаратов эукариот.

Многие из систем типа 1 долгое время рассматривали как эукариотические инновации. Однако имеет место примечательная тенденция: чем внимательнее мы изучаем быстро прибывающие данные сравнительной геномики архей и бактерий, тем больше обнаруживается эволюционных предшественников для характерных эукариотических систем. Например, у давно известного эукариотического аппарата деградации белков, протеасомы, имеется более простой гомолог с аналогичной функцией у архей, и даже более примитивная версия у бактерий (Groll et al., 2005). Бесспорная эволюционная связь и функциональная аналогия между протеасомами архей и эукариот была точно установлена даже раньше, чем появились последовательности геномов. Сравнительный анализ геномов параллельно привел к предсказанию экзосом у архей: были идентифицированы высококонсервативные наборы предполагаемых архейных оперонов, кодирующих белки, гомологичные субъединицам эукариотических экзосом, молекулярных машин, осуществляющих деградацию РНК у эукариот (Koonin et al., 2001b). Как и следовало ожидать, эта предсказанная архейная экзосома была экспериментально обнаружена через несколько лет (Hartung and Hopfner, 2009).

В течение долгого времени убиквитиновая сигнальная сеть, управляющая деградацией и топогенезом белков в эукариотической клетке посредством присоединения к белкам небольшого, чрезвычайно консервативного белка, называемого убиквитином (Ub), и значительно менее распространенных паралогов убиквитина, считалась типичной специфической для эукариот функциональной системой, уникальной отличительной чертой эукариот (Hochstrasser, 2009). Позже, благодаря растущему разнообразию секвенированных геномов архей и бактерий и прогрессирующим методам обнаружения сходства белков по аминокислотной последовательности и структуре, были обнаружены прокариотические гомологи убиквитина. Эти небольшие белки чрезвычайно распространены у архей, но, по-видимому, работают в реакциях, обеспечивающих встраивание серы, что необходимо для биосинтеза ряда коферментов. Однако тщательное сравнение геномов привело к открытию, у различных бактерий, оперонов, которые комбинируют гены гомологов убиквитина с генами гомологов двух субъединиц убиквитин-лигазы и деубиквитинирующего фермента. Хотя эти белки лишь отдаленно связаны со своими эукариотическими гомологами, колокализация всех этих генов наводила на мысль о вероятности того, что обнаружено бактериальное происхождение Ub-системы (Iyer et al., 2006). Далее в 2010 году появилось сообщение об экспериментах, демонстрирующих, что по крайней мере у некоторых Archaea определенная группа гомологов убиквитина функционирует подобно классическому эукариотическому убиквитину, то есть эти небольшие белки присоединяются к различным другим белкам и делают их мишенью для деградации (Humbard et al., 2010).

Убиквитиновая история этим не оканчивается. В декабре 2010 года, когда эта книга уже была практически завершена и редактировалась, было опубликовано удивительное открытие. Его помог сделать недавно секвенированный геном Candidatus Caldiarchaeum subterraneum, археи, которая была изолирована из золотоносного рудника и может оказаться представителем нового типа архей либо новой группы в составе Crenarchaeota (Nunoura et al., 2010). Геном этого организма содержит оперон, кодирующий четыре белка, которые, по результатам поиска по базам данных, представляются типично эукариотическими – для них обнаруживаются многочисленные высококонсервативные эукариотические гомологи, но не обнаруживается сходства с какими-либо белками из других архей или бактерий. Эти белки – убиквитин и три субъединицы убиквитин-лигазы (E1, E2 и E3). Более того, вслед за убиквитиновым опероном комплементарной цепью ДНК кодируется деубиквитинирующий фермент эукариотического типа. Таким образом, этот новый архейный геном кодирует полный набор белков, требующихся для обратимого убиквитинирования белков у эукариот. Интересно, что, когда я проводил дополнительный поиск по базе данных белковых последовательностей для того же геномного окружения, мне удалось идентифицировать еще одну субъединицу E3, так что даже пролиферация E3, которая достигает поразительных масштабов у эукариот, началась, по-видимому, уже у Archaea. Степень сходства между данными белками и их эукариотическими гомологами неожиданно высока (намного выше, чем для бактериальных белков, кодируемых в подобных оперонах), что наводит на мысль о необычной возможности горизонтального переноса генов от эукариот к археям. Однако это вряд ли самый экономный сценарий, если учитывать локализацию этих генов в одном опероне у Caldiarchaeum subterraneum. Остается заключить, что эта архея кодирует предковую убиквитиновую систему. Если это действительно так, мы будем вынуждены заключить, что эта система возникла и полностью сформировалась у Archaea, так что эукариоты получили ее в готовом виде, и все, что произошло с убиквитиновой системой в течение эволюции эукариот, сводится к возникновению разнообразия и «украшений». Удивительно, что потребовалось секвенировать более ста геномов архей для того, чтобы обнаружить эту предполагаемую предковую убиквитиновую систему; это показывает, что предковые версии некоторых ключевых эукариотических функциональных средств достаточно экзотичны среди Archaea. Я описываю это открытие настолько подробно не только по причине его несомненной важности для понимания происхождения убиквитиновой регуляторной сети, но даже в большей степени из-за его широких последствий для эволюции эукариот, которые я подчеркиваю ниже в этой главе.