Книга: Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Происхождение ключевых функциональных систем эукариотической клетки

Происхождение ключевых функциональных систем эукариотической клетки

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.

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.