Обнаружен живой представитель асгардархей

Рис. 1. Прометеоархеум под электронным микроскопом. Единичная клетка крупным планом (a), колония клеток, покрытых полисахаридным чехлом (b), делящаяся клетка с поясом мембранных пузырьков по «экватору» и шлейфом таких же пузырьков на «полюсе» (с), срез через клетку, на котором видно, что она внутри абсолютно однородна (d), клетки с крупными мембранными пузырьками вокруг них (e), срез через клетки, от которых эти пузырьки отпочковываются (f), клетки с ветвящимися (g) и прямыми (h) длинными выростами, срез через клетку с такими выростами (i). На всех срезах видно, что никакой внутренней структуры, напоминающей эукариотную, у прометеоархеума нет. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в bioRxiv

Японские исследователи описали первого обнаруженного живым представителя асгардархей — загадочных микроорганизмов, к которым, вероятно, относятся предки эукариот, но которые до сих пор были известны только по генетическим данным. Это открытие дает много новой и интересной информации о том, как могла возникнуть сложная эукариотная клетка.

Про- и эукариоты

Еще относительно недавно, в конце XX века, всевозможные популярные рассказы о системе живой природы обычно начинались с утверждения, что все живые организмы (кроме вирусов) делятся в первую очередь на две гигантские группы: прокариоты и эукариоты. К эукариотам относятся растения, животные и грибы, а к прокариотам — бактерии и синезеленые водоросли. Прокариоты отличаются от эукариот отсутствием ядра, митохондрий, системы внутриклеточных полостей, которая называется эндоплазматической сетью (ЭПС), и сложных жгутиков, представляющих собой выросты «тела» самой клетки, а не встроенных в клеточную стенку, как жгутики бактерий. В том, что эукариоты произошли от прокариот, никто (почти) не сомневался.

Понимание того, что прокариоты и эукариоты — это принципиально разные уровни организации живой материи, возникло уже лет сто назад. Сами термины «прокариоты» и «эукариоты» предложил французский биолог Эдуар Шаттон (Édouard Chatton), занимавшийся водорослями, инфузориями и другими одноклеточными существами. Однако Шаттон умер в 1947 году, и при его жизни эти названия общепринятыми так и не стали. Они стали такими только в 1960-х годах, после выхода статьи известных микробиологов Роджера Станье (Roger Stanier) и Корнелиуса ван Ниля (Cornelius Bernardus van Niel), где были четко, обстоятельно просуммированы отличия прокариотной жизни от эукариотной (R. Y. Stanier, C. B. van Niel, 1962. The concept of a bacterium). Вот с тех пор среди биологов и установилось убеждение, что прокариоты и эукариоты — это две крупнейшие группы живых существ, состоящих из клеток (то есть за исключением вирусов). Чаще всего им придавали ранг надцарств.

Стоит отметить, что латинские названия прокариот и эукариот разные авторы писали по-разному: иногда Procaryota и Eucaryota, а иногда Prokaryota и Eukaryota. Как известно, буква k крайне редко встречается в собственно латинских словах, чаще всего она служит в латыни маркером греческих заимствований. Название «эукариоты» буквально значит «обладатели настоящего ядра», и происходит оно от греческого слова κάρυον, обозначающего, например, ядро грецкого ореха. Поэтому написание через k тут, конечно, правильнее. Однако сам Эдуар Шаттон, проявляя очень характерное для французских биологов наплевательское отношение к латыни, писал эти названия «с французским акцентом»: даже не Procaryota и Eucaryota, а Procaryotes и Eucaryotes. Отсюда и пошла традиция, которая, впрочем, сейчас уже преодолена. В наше время слово «прокариоты» как название таксона вышло из употребления, и поэтому по-латыни его вообще больше не записывают, а латинское название эукариот чаще всего пишут в форме Eukarya.

Археи

Некоторая часть организмов, считавшихся до 1970-х годов бактериями, на самом деле отличается от типичных бактерий настолько серьезно, что никак не может входить в одну с ними группу (даже на уровне царства). Первым обнаруженным примером таких организмов стали метаногены (C. R. Woese, G. E. Fox, 1977. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms), но есть и множество других, очень разнообразных. Эти не-бактерии сначала получили название архебактерий, а потом их стали называть просто археями. Молекулярная биология почти сразу показала, что археи эволюционно ближе к эукариотам, чем к «нормальным» бактериям (C. R. Woese et al., 1978. Archaebacteria). Совершивший это открытие Карл Вёзе (Carl Woese) был вынужден признать, что система, делящая все клеточные организмы на прокариот и эукариот, устарела — причем случилось это всего-то лет через пятнадцать после того, как она стала общепризнана.

Взамен Вёзе предложил систему, в которой множество всех клеточных организмов распадается на три равноправные группы — бактерии, археи и эукариоты. Эти группы, соответствующие крупнейшим эволюционным ветвям, получили ранг доменов (более высокий, чем ранги царства и надцарства). К концу XX века именно трехдоменная система стала общепринятой в серьезной биологии. При этом никто не сомневался, что эукариоты близки к археям, но не к бактериям. Правда, это относится только к основе эукариотной клетки, которая называется ядерно-цитоплазматическим компонентом (ЯЦК; см. А. В. Марков, А. М. Куликов, 2004. Происхождение эвкариот: выводы из анализа белковых гомологий в трех надцарствах живой природы). Помимо нее, в состав эукариотных клеток входят как минимум митохондрии, происходящие именно от бактерий — подробно мы это сейчас обсуждать не будем, потому что о симбиогенетической теории происхождения эукариот написано уже очень много, в том числе и на страницах «Элементов» (см., например: Теория симбиогенеза 50 лет спустя: параллельной эукариотизации, скорее всего, не было, «Элементы», 22.11.2017). Так или иначе, близость ядерно-цитоплазматического компонента эукариотной клетки к археям подтверждена молекулярной биологией давно и надежно. Для простоты мы будем говорить о происхождении эукариот от архей или общих предков с ними, подразумевая на самом деле именно происхождение ЯЦК (если честно, то не всего ЯЦК, но в эти детали сейчас входить точно не стоит).

Тут появляется следующая проблема. Внимательный читатель, вероятно, обратил внимание на оговорку в предыдущей фразе — там, где говорилось о происхождении эукариот от архей или общих предков с ними. Мы видим две возможности. Одно дело, если археи и эукариоты произошли от неизвестного общего предка, который, возможно, сам еще не был ни археей, ни эукариотом. В этом случае перед нами сестринские группы, абсолютно равноправные с точки зрения биологической системы. И другое дело, если эукариоты произошли прямо от архей. В этом случае ветвь эукариот находится внутри эволюционного древа архей, и считать их самостоятельным доменом нельзя — они должны быть подмножеством архей, не более. Таковы правила современной систематики.

Таким образом, возникает конкуренция трехдоменного эволюционного сценария с двудоменным (S. Gribaldo et al., 2010. The origin of eukaryotes and their relationship with the Archaea: are we at a phylogenomic impasse?). Трехдоменный сценарий — классический: эволюционное древо распадается на три огромные ветви, которым соответствуют домены бактерий, архей и эукариот. Двудоменный сценарий признает только домены бактерий и архей — эукариоты входят в состав последнего. Известный французский биолог Патрик Фортерр (Patrick Forterre) дал этому объединенному домену название Arkarya, смонтированное из названий Archaea и Eukarya (P. Forterre, 2015. The universal tree of life: an update).

Люди, выдвигавшие эти гипотезы, отдавали себе отчет в том, что они вполне проверяемы. Чтобы доказать правильность двудоменного сценария, достаточно найти архей, которые — по данным молекулярной филогенетики — окажутся ближе к эукариотам, чем к любым другим археям. Кстати, найти таких архей было бы крайне любопытно, потому что, изучая их, мы сможем очень много узнать о непосредственных предках эукариот — а важность таких сведений для эволюционной биологии колоссальна.

И в 2015 году они были найдены (см. Новооткрытый микроб заполняет брешь между прокариотами и эукариотами, «Элементы», 12.05.2015). Это открытие и правда дало много интересной информации — а заодно, конечно же, породило новые вопросы.

Асгард

Археи, оказавшиеся ближайшими родственниками (и предками) эукариот, называются асгардархеями. Как выяснилось, это довольно крупная эволюционная ветвь, которая, в свою очередь, делится на веточки локиархей, торархей, одинархей и хеймдалльархей. Причем по молекулярным данным вроде бы получается, что самыми близкими родственниками эукариот являются хеймдалльархеи (см. Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот, «Элементы», 16.01.2017). Если это верно, значит, эукариоты — строго говоря, всего лишь второстепенная веточка асгардархей, сестринская по отношению к хеймдалльархеям. Другими словами, ветвь эукариот находится высоко в «кроне» эволюционного древа архей, а вовсе не у его корня. Двудоменный сценарий подтвержден (рис. 2).

Рис. 2. Эволюционное древо, на котором показано положение архей, эукариот и бактерий. Попутно иллюстратор отдает дань уважения Тору, Одину, Локи и Хеймдаллю. Древо безусловно двудоменное, но нельзя не обратить внимание на то, что ветвь эукариот здесь выглядит как сестринская по отношению к асгардархеям, а не находится внутри них. Да, это тоже не исключено. Даже если эукариоты — родственники хеймдалльархей, они все равно занимают на общем древе асгардархей положение, довольно близкое к корню (см. A. Spang et al., 2019. Proposal of the reverse flow model for the origin of the eukaryotic cell based on comparative analyses of Asgard archaeal metabolism). Иллюстрация со страницы ettemalab.org

Кто же такие асгардархеи? Судя по всему, они довольно разнообразны. Асгардархеи живут во множестве местообитаний (на дне морей, рек или геотермальных водоемов), из которых то одной, то другой группе исследователей время от времени удается выделить достаточное для подробного анализа количество их ДНК (см. Метагеномика). И эти молекулярно-генетические данные позволили установить несколько интересных фактов (K. Zaremba-Niedzwiedzka et al., 2017. Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity).

Во-первых, рибосомы асгардархей больше похожи на эукариотные, чем рибосомы любых других прокариот. Рибосомы, молекулярные «машинки», синтезирующие белок, есть абсолютно во всех живых клетках, и их структура весьма эволюционно консервативна. Сходство рибосом всегда считалось надежным показателем родства.

Во-вторых, у асгардархей определенно есть цитоскелет, то есть внутриклеточная опорно-двигательная система. Развитый цитоскелет — одна из самых характерных особенностей эукариот, у которых есть два главных типа цитоскелетных структур: микротрубочки, состоящие из белка тубулина, и микрофиламенты, состоящие из белка актина. Элементы цитоскелета создают сложные, динамичные (но иногда и очень устойчивые) формы всех эукариотных клеток, от амёб до нейронов. Они же образуют и механизмы подвижности этих клеток, от плавающей с помощью жгутика эвглены до мышечного волокна человека. Раньше считалось, что у прокариот никакого цитоскелета нет. На самом деле это неверно: белки, являющиеся более или менее отдаленными «родственниками» (гомологами) эукариотных белков цитоскелета, у них не так уж и редки (см., например: H. P. Erickson, 2017. The discovery of the prokaryotic cytoskeleton: 25th anniversary). Но у асгардархей, как выяснилось, есть цитоскелетные белки, более близкие к эукариотным, чем — опять же — белки любых других прокариот, не исключая и смежные группы архей. Это тубулин и гомологи актина, которые для корректности называют актиноподобными белками. Тубулин был открыт у одинархей, актиноподобные белки — у локиархей и у хеймдалльархей. Причем, например, актиноподобных белков локиархей («локиактинов») может быть в одной и той же клетке несколько штук, кодируемых разными генами. Само по себе это обычное дело, но это значит, что в данной группе цитоскелет успел пройти собственную долгую эволюцию. И вспомогательные белки, регулирующие сборку и перестройку (ремоделирование) цитоскелета, у асгардархей тоже есть. Все это в сумме подразумевает, что цитоскелетная молекулярная «машинерия» у них уже довольно сложная, сопоставимая с эукариотной.

В-третьих, помимо белков цитоскелета, у асгардархей нашлось много белков, функции которых у эукариот связаны с клеточным делением (митозом), с разнообразными системами внутриклеточного транспорта, включая перемещение по клетке мембранных пузырьков (везикул), а также с образованием изгибов клеточной мембраны и отпочковыванием пузырьков от нее (см. ESCRT). Все это «фишки», которые раньше считались чисто эукариотными. К ним же можно отнести, например, убиквитиновую систему деградации белков (убиквитин — это маленький сигнальный белок, «пришиваемый» химической связью к молекулам других белков, которые уже выработали свой ресурс и которые пора разбирать на отдельные аминокислоты). Эта система считалась уникальной для эукариот, но похоже, что у асгардархей она тоже есть. Ее элементы обнаружены у локиархей, у одинархей и у хеймдалльархей. Что касается торархей, то у них убиквитиновой системы вроде бы нет, но зато молекулярная «машинерия» внутриклеточного транспорта у них представлена более богатым набором белков, чем в любой другой группе асгардархей (K. Zaremba-Niedzwiedzka et al., 2017. Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity).

Все эти выводы сделаны исключительно по метагеномным сборкам, то есть по реконструкциям геномов, собранным из нуклеотидных текстов множества найденных в среде — например, в донном грунте — обрывков ДНК. Для того, чтобы такие сборки были достоверными, применяются сложные программные методы (см. Новооткрытый микроб заполняет брешь между прокариотами и эукариотами, «Элементы», 12.05.2015). Однако воочию, под микроскопом, никаких асгардархей на момент этих выводов еще никто не видел. Это, увы, рядовая ситуация: многие археи (как и бактерии) не культивируются в стандартных лабораторных условиях, а потому труднодоступны «нормальной» микробиологии и известны пока только по метагеномным данным. Предполагается даже, что таких некультивируемых микробов намного больше, чем культивируемых (U. Hofer, 2018. The majority is uncultured).

Для биологов, интересующихся происхождением эукариот, это создает большую проблему. Ведь прочитать геном еще не значит описать организм. Что же представляет собой организм асгардархей? Судя по набору генов, легко предположить, что их клетки устроены очень сложно. Можно ожидать, что в типичной асгардархейной клетке есть множество взаимосвязанных мембранных полостей (эндоплазматическая сеть), централизованная система везикулярного транспорта (аппарат Гольджи) и даже, чем черт не шутит, ядро — известно ведь, что у эукариот оно образует одно целое с эндоплазматической сетью. Можно допустить и то, что у асгардархей есть фагоцитоз — система клеточного хищничества, когда клетка захватывает крупные объекты (например, другие клетки), окружая их ложноножками и замыкая в мембранной полости. В общем, генетические данные в принципе позволяют предположить, что асгардархеи — это «полуэукариоты», крупные, сложные, подвижные, обладающие почти полным комплексом признаков, которые мы привыкли видеть в любой эукариотной клетке. Настоящая переходная эволюционная ступень, missing link.

Беда в том, что все это лишь предположения. Функции белков (особенно связанных с мембранами) разнообразны, а связь генотипа с фенотипом крайне нелинейна: на основе одного и того же набора генов можно собрать существенно разную архитектуру как организма, так и клетки. Может быть, асгардархеи — и вправду переходные формы. А может быть, они заурядные прокариоты, а их замечательные генетические приобретения суть преадаптации, в дальнейшем пригодившиеся эукариотам, но у самих архей играющие скромную роль. Узнать это точно можно только одним способом: выловить живых асгардархей и описать их.

Прометеоархеум

В начале августа 2019 года в открытом доступе появилась статья японских исследователей, которые сообщают, что им удалось изолировать живых локиархей.

Эта процедура оказалась на редкость сложной. Вначале пробы грунта были извлечены со дна Тихого океана, с глубины 2,5 километра, с помощью батискафа «Синкай-6500» (Shinkai 6500), замечательного исследовательского судна, которое увековечено даже в конструкторе «Лего». В лаборатории в Йокосуке эти пробы поместили в специальный биореактор, где были созданы условия для роста микроорганизмов (в данном случае — преимущественно таких, которым комфортно жить при обилии метана). А уже из реактора спустя долгое время брали вторичные пробы, предположительно обогащенные живыми клетками, и переносили их на питательные среды. В итоге в распоряжение исследователей попал микроорганизм, получивший название Prometheoarchaeum syntrophicum, который относится к группе локиархей (это, разумеется, проверено и перепроверено молекулярно-генетически). В общем, Япония еще раз подтвердила свою репутацию страны с передовой морской биологией.

И вот загадочные локиархеи наконец-то перед нами. Пойманный японцами прометеоархеум оказался кокком, то есть микроорганизмом простой сферической формы (рис. 1, a). Он невелик: диаметр описанных клеток — от 300 до 750 нанометров, а в среднем 550 нанометров. Насколько это много или мало? Считается, что характерный размер клеток прокариот лежит в пределах от 500 до 3000 нанометров, с выбросами в ту и другую сторону. Как видим, размер клеток прометеоархеума находится почти точно на нижней границе указанного промежутка — то есть это очень мелкий организм, хоть и не рекордсмен по миниатюрности (какие-нибудь микоплазмы могут быть раза в два-три меньше его). Обычно клетки прометеоархеума образуют цепочки, окруженные полисахаридными чехлами (рис. 1, b). Японцы специально отмечают, что растет прометеоархеум исключительно медленно.

Ну, а как же со сложной структурой, которую можно было бы ожидать, исходя из обнаруженного у локиархей набора генов? Кое-какие намеки на это есть. У клеток прометеоархеума, собирающихся делиться, по «экватору» появляются кольцевые выросты, состоящие из маленьких мембранных пузырьков. Кроме того, целые шлейфы таких пузырьков образуются на «полюсах» делящихся клеток (рис. 1, c). Зачем это им нужно, пока непонятно, но сама возможность такого физиологического процесса означает, что в клетке прометеоархеума есть хорошо отрегулированная система перестройки мембран. Это прекрасно согласуется с генетическими данными, и это — неплохая новость для тех, кто ожидал, что локиархеи окажутся переходной формой, близкой к эукариотам.

Впрочем, преувеличивать значение этих фактов все же не стоит. Дело в том, что отшнуровывающиеся от клеток мембранные пузырьки — они называются внешнемембранные везикулы (outer membrane vesicles, OMVs) — распространены у прокариот довольно широко (см. S. B. Gould et al., 2016. Bacterial vesicle secretion and the evolutionary origin of the eukaryotic endomembrane system). Они встречаются не только у архей, но и у бактерий, и обладают разнообразными функциями: например, с их помощью болезнетворные бактерии могут выделять в окружающую ткань ферменты или яды. Ни с какими уникальными для эукариот свойствами это само по себе не связано.

Другая новость — гораздо более печальная. Электронная микроскопия показала, что в клетках прометеоархеума нет никаких внутренних включений, напоминающих эукариотные органеллы (рис. 1, d). То есть ни эндоплазматической сети, ни аппарата Гольджи, ни ядра, ни фагоцитоза у локиархей пока не нашлось, и нет даже ничего похожего. Это означает, что никакими «полуэукариотами» они не являются. «Начинка» клетки у них прокариотная.

Важные данные получены о составе клеточной мембраны прометеоархеума. Дело в том, что мембраны бактерий и архей, хотя и обладающие похожими свойствами, состоят из совершенно разных молекул, принадлежащих к разным классам органических веществ и, что еще более интересно, отличающихся на уровне оптической изомерии (см. М. А. Никитин, 2013. Происхождение мембран и мембранной биоэнергетики). Не вдаваясь сейчас в объяснения, можно уверенно сказать, что более фундаментальные биохимические отличия трудно придумать. Скорее всего, это означает, что архейные и бактериальные мембраны не имеют общего происхождения — системы их синтеза сложились независимо. При этом, несмотря на то, что ядерно-цитоплазматический компонент эукариотной клетки произошел от архей, абсолютно все эукариотные мембраны — и внешняя (плазматическая), и многочисленные внутриклеточные — однозначно относятся к бактериальному, а не архейному типу. Это парадокс, который любая гипотеза происхождения эукариот вынуждена так или иначе объяснять. Так вот, у прометеоархеума состав мембраны, охарактеризованный биохимиками по набору входящих в нее липидов, оказался типично архейным. Значит, и по этому признаку локиархеи вовсе не являются переходной формой.

И наконец, самое интересное из того, что удалось увидеть под микроскопом. Оказалось, что клетки прометеоархеума регулярно образуют длинные выросты, иногда прямые, но часто сложным образом ветвящиеся (рис. 1, g и h). Их образование наверняка требует участия цитоскелета (а мы уже знаем, что у локиархей актиновый цитоскелет, судя по всему, хорошо развит). А особенно интересно это вот почему. Для многих современных гипотез происхождения эукариот — назовем тут гипотезу Евгения Кунина (N. Yutin et al., 2009. The origins of phagocytosis and eukaryogenesis) и гипотезу двоюродных братьев Баумов (см. М. А. Никитин, 2014. Выдвинута новая гипотеза происхождения эукариотической клетки) — краеугольным камнем служит предположение, что предшественники эукариот «научились» создавать сначала выросты клетки, и только потом впячивания. Это разные процессы, обслуживаемые разными белками, причем те сопутствующие белки цитоскелета, которые нужны для впячиваний, появились позже, чем те, которые нужны для выростов. Так говорит биоинформатика. Между тем без впячиваний невозможен, например, фагоцитоз, и, если у ближайших предков эукариот его еще не было, значит, своих бактериальных сожителей (в будущем ставших митохондриями) они не «проглотили» путем фагоцитоза, а приобрели как-то иначе. Теперь мы видим, что постулат, на котором основаны все эти рассуждения, полностью соответствует действительности: у такого близкого родственника эукариот, как прометеоархеум, фагоцитоза нет, зато мембранных выростов — сколько угодно.

Метаболизм

Рассуждая о любом вновь открытом организме, а особенно о микроорганизме, всегда важно понять, какие жизненно важные вещества он поглощает, как их перерабатывает и какие конечные продукты выводит наружу — короче говоря, какой у него метаболизм. Оговорка насчет микроорганизмов сделана потому, что при встрече с животным или растением тип его метаболизма обычно очевиден (хотя и тут попадаются исключения). Но в случае с микробом — нет. У прокариот встречаются десятки разных типов метаболизма, многие из которых с нашей эукариотной точки зрения совершенно, что называется, контринтуитивны. Надо помнить, что и предки эукариот были частью этого разнообразия. Тут возможны сюрпризы.

Метаболизм прометеоархеума известен пока не во всех деталях, но несколько ключевых моментов исследователям установить удалось. Как и следовало ожидать, прометеоархеум — анаэроб, то есть в кислороде он не нуждается. Питательными веществами ему служат аминокислоты — аланин, серин, цистеин, аспартат, триптофан, тирозин, гистидин, треонин, лизин — и, по-видимому, только они; например, сахара прометеоархеум не усваивает принципиально. Молекулы аминокислот в клетке прометеоархеума подвергаются окислению (бескислородному), среди конечных продуктов которого после длинной цепочки реакций оказываются водород (H₂) и муравьиная кислота, она же формиат. Эти молекулы прометеоархеуму уже не нужны, и они выводятся во внешнюю среду.

Однако на этом история не заканчивается. Наблюдения показывают, что прометеоархеумы живут не в одиночестве, а в тесном соседстве (и часто в физическом контакте) с двумя другими группами микробов. Одна из них — метаногенные археи, те самые, которые мимоходом упоминались выше, в разговоре о доменах. Другая — сульфатредуцирующие бактерии. Метаногены и сульфатредукторы получают от прометеоархеума конечные продукты обмена веществ: формиат, углекислоту (метаболический путь, оканчивающийся на ней, тоже существует), но в первую очередь — водород. Прометеоархеуму отработанный водород больше не нужен, зато метаногенам и сульфатредукторам он еще как нужен. Взамен и метаногены, и сульфатредукторы поставляют прометеоархеуму аминокислоты, а также витамины и другие полезные вещества, которые сам он синтезировать не умеет. Такая химическая взаимозависимость микробов называется синтрофией (см., например: Г. А. Заварзин, 1993. Развитие микробных сообществ в истории Земли). Показано, что в случае чего прометеоархеум может обойтись и без сульфатредукторов, имея метаногенную архею в качестве единственного метаболического партнера.

Итак, перед нами портрет — структурный и физиологический — ближайшего дожившего до наших дней родственника эукариот, по крайней мере из тех, кого ученые сумели обнаружить. С поправкой на масштаб можно сказать, что прометеоархеум близок к эукариотам примерно так, как горилла близка к человеку. Какую же информацию о происхождении эукариот это дает?

Эукариотизация

Начнем с того, что эукариотизация, в результате которой прокариотные клетки превратились в эукариотные, была процессом сложным и уникальным. Из каких элементов она складывалась? Этот паззл до сих пор окончательно не собран — забегая вперед, надо сказать, что и открытие прометеоархеума не позволяет его до конца собрать, хотя какие-то вещи оно, конечно, проясняет. На данный момент никто всерьез не сомневается, что эукариотизация включала в себя симбиогенез, то есть объединение разных организмов — как минимум двух, хотя в принципе их могло бы быть и больше, например три (такую гипотезу впервые высказал в 1989 году Вольфрам Циллиг (Wolfram Zillig), и с тех пор она время от времени всплывала у разных авторов; см., например: V. V. Emelyanov, 2003. Mitochondrial connection to the origin of the eukaryotic cell). В любом случае одним из партнеров в симбиогенезе была архея, а еще одним — альфа-протеобактерия, потомки которой стали митохондриями. Однако на этих тезисах ясность, пожалуй, кончается. Перечислим еще несколько утверждений, которые пока имеют статус гипотез, но уже неплохо подкреплены фактами, так что любая современная концепция происхождения эукариот должна их учитывать.

1. Эукариотизация не связана с фагоцитозом. Такие великие ученые, как Линн Маргулис (Lynn Margulis) и Томас Кавалье-Смит (Thomas Cavalier-Smith), долгое время считали, что предок эукариот буквально проглотил — фагоцитировал — бактерию, от которой произошли митохондрии. Предполагалось, что от тех, кто сделать этого не сумел, произошли безмитохондриальные эукариоты («Archezoa»), имеющие все главные эукариотные признаки, кроме митохондрий. Увы, более детальные исследования показали, что у всех известных безмитохондриальных эукариот митохондрии когда-то раньше были (см. Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий, «Элементы», 18.05.2016). Получается, что митохондрии — признак всех эукариот без исключения, так же, как и ядро. С другой стороны, фагоцитоз — это сложный процесс, требующий большого набора специальных белков, связанных с актиновым цитоскелетом, внешней мембраной и эндоплазматической сетью. Маловероятно, что этот набор успел сложиться на первых шагах эукариотизации, а тем более у архейного предка (N. Yutin et al., 2009. The origins of phagocytosis and eukaryogenesis). И наконец, фагоцитоз энергоемок. Он, конечно, может служить для эффективного хищничества, но сам по себе он стоит клетке дорого. Показано, что до приобретения митохондрий, которые служат внутриклеточными «энергетическими станциями», переход к фагоцитозу привел бы к энергетическому проигрышу, а не выигрышу по сравнению с обычными прокариотными способами питания (W. F. Martin et al., 2017. The physiology of phagocytosis in the context of mitochondrial origin). Так что из факторов, сформировавших эукариот как таковых, фагоцитоз можно исключить.

2. Эукариотизация связана с синтрофией. Естественным первым шагом к симбиогенезу многим исследователям видится уже упомянутая синтрофия — метаболическая взаимозависимость, очень широко распространенная среди прокариот (B. Morris et al., 2013. Microbial syntrophy: interaction for the common good). Для нее не нужно никаких хитрых приспособлений: достаточно простого физического сближения, чтобы микробы начали обмениваться мелкими молекулами, которые для одного партнера являются бесполезным отходом, зато для другого — жизненно важным «топливом». Самые известные примеры таких молекул — водород и муравьиная кислота (в скобках заметим, что, отобрав у молекулы муравьиной кислоты два атома водорода, ее можно превратить в обычную углекислоту), но возможно сколько угодно других вариантов. Синтрофия никак не зависит от родства: известны случаи синтрофных отношений между бактериями и археями, то есть того, что в принципе и нужно для происхождения эукариот (A. Stams, C. Plugge, 2009. Electron transfer in syntrophic communities of anaerobic bacteria and archaea). Таким образом, синтрофия — это очень удобные «входные ворота» для сближения клеток, которое в этом случае будет поддерживаться давлением естественного отбора на всех этапах, начиная с самого первого, когда выгода еще маленькая: достаточно, чтобы она отличалась от нуля. Проблема «зачем нужны переходные стадии?» тут не возникает.

3. В ходе симбиогенеза один партнер был охвачен (engulfed) выростами клетки другого. Прокариотным клеткам гораздо легче создавать выросты, чем впячивания. Последнее требует более сложной внутриклеточной механики, поэтому всевозможные выросты довольно часто встречаются у бактерий и архей, а вот активно впячивать мембрану умеют только эукариоты (при фагоцитозе, например). При попытках реконструкции ранних стадий симбиогенеза многим биологам приходило в голову, что естественная судьба более мелкого симбионта — это оказаться в «заливе» между выростами более крупного. В 2014 году двоюродные братья Дэвид Баум (David Baum) и Базз Баум (Buzz Baum) опубликовали целую детально разработанную теорию происхождения эукариот, основанную на этом предположении (D. A. Baum, B. Baum, 2014. An inside-out origin of the eukaryotic cell; рис. 3). По мнению Баумов, клетка архейного предка образовала для увеличения поверхности мощные выросты. Между этими выростами и поселились альфа-протеобактерии — предки митохондрий. Затем выросты слились, и между ними образовалась система замкнутых полостей, которая стала эндоплазматической сетью. А митохондрии пробуравили мембрану, ограничивающую эти полости, и выбрались прямо в цитоплазму. Теория Баумов изящно объясняет ряд фактов (см. М. А. Никитин, 2014. Выдвинута новая гипотеза происхождения эукариотической клетки). Но есть и другие гипотезы, отличающиеся от нее, однако основанные на общем положении: в ходе эукариотизации один партнер был постепенно заключен между выростами клетки другого.

Рис. 3. Баумовский сценарий происхождения эукариот. Иллюстрация со страницы news.wisc.edu, с изменениями

Открытие прометеоархеума идеально подтверждает все три постулата: у прометеоархеума нет никаких признаков фагоцитоза, зато он активно участвует в синтрофных взаимоотношениях и образует сложные внешние выросты. Все это очень хорошо совпадает с предсказаниями Баумов, и японцы, описавшие прометеоархеума, честно признают, что модель эукариотизации, которая у них сейчас вырисовывается, во многом похожа на баумовскую. Но дьявол, по своему обыкновению, живет в деталях, в данном случае — в биохимических.

Проблема водорода

Вернемся на шаг назад. В конце XX века растущий поток микробиологических данных стал приводить исследователей (одного за другим) к выводу, что синтрофия является естественным и обычным первым шагом к союзу между разными микробами. Возникло несколько очень интересных теорий эукариотизации, выводящих этот факт на первый план. Уильям Мартин (William Martin) полагал, что в основе всего было синтрофное «сожительство» археи с бактерией, которая в конце концов была охвачена выростами архейной клетки и стала митохондрией (тут мысли Мартина совпадают с мыслями Баумов, хотя они делали акцент немного на разных вещах; см., например: W. F. Martin et al., 2001. An overview of endosymbiotic models for the origins of eukaryotes, their ATP-producing organelles (mitochondria and hydrogenosomes), and their heterotrophic lifestyle). Пурификасьон Лопес-Гарсия (Purificacion Lopez-Garcia) и Давид Морейра (David Moreira) предложили более сложный сценарий. По их мнению, все началось с бактерии, в которую вселилась архея (ставшая ядром), а уже эта чудовищная химера приняла в себя третьего симбионта — бактерию, от которой произошли митохондрии (см., например: P. López-García, D. Moreira, 2006. Selective forces for the origin of the eukaryotic nucleus). Но все эти авторы сошлись на том, что главной движущей силой синтрофии при происхождении эукариот, скорее всего, был обмен водородом. Это логично. Перенос водорода играет в синтрофных отношениях прокариот настолько важную роль, что некоторые авторы называли его «сердцем синтрофии» (см. B. Morris et al., 2013. Microbial syntrophy: interaction for the common good). Водород нужен для многих окислительно-восстановительных реакций, способных служить источниками энергии, и в то же время относительно дефицитен в земных условиях, так что вступать в синтрофию ради водорода очень даже стоит.

Маленькая проблема заключается в том, что все эти гипотезы постулируют совершенно не то направление переноса водорода, которое, как теперь выяснилось, наблюдается реально. И Мартин, и Лопес-Гарсия с Морейрой считали, что предком эукариот была метаногенная архея, которой водород позарез нужен для собственного метаболизма и которая получала его от бактериальных партнеров. А в реальности оказалось, что как минимум локиархея — это гетеротроф (то есть потребитель готовой органики), который отдает водород бактериальным партнерам. Химическая направленность синтрофии была угадана с точностью до наоборот.

К счастью, в 2019 году вышла статья группы исследователей под руководством Тайса Эттемы (Thijs Ettema), сделавших скрупулезнейший анализ всех данных о метаболизме асгардархей, какие только можно было выудить из метагеномных сборок (A. Spang et al., 2019. Proposal of the reverse flow model for the origin of the eukaryotic cell based on comparative analyses of Asgard archaeal metabolism). Они пришли к выводу, что непосредственные предки эукариот скорее всего были гетеротрофами (а не автотрофами, как считал Мартин), и водород был конечным продуктом их метаболизма, который они в порядке синтрофии отдавали бактериям (благо у альфа-протеобактерий, от которых произошли митохондрии, вполне себе встречаются метаболические пути, требующие водорода как исходного вещества). Японцам, открывшим прометеоархеума, только и осталось констатировать, что это предсказание блистательно подтвердилось.

Однако на этом биохимический детектив отнюдь не кончается.

Сериальная синтрофия

Дело в том, что реальные синтрофные партнеры локиархей — вовсе не альфа-протеобактерии.

Все обсуждения эукариотизации так или иначе вертятся вокруг союза археи, которая стала основой эукариотной клетки, с альфа-протеобактерией, которая стала предком митохондрий. Неизвестно, были ли в драме происхождения эукариот другие главные герои, но уж эти два были точно. Факт, что митохондрии произошли именно от альфа-протеобактерий, твердо установлен (см., например: L. Fan et al., 2019. Mitochondria branch within Alphaproteobacteria). Ну, и где эти альфа-протеобактерии? Прометеоархеум с ними никак не связан. Вместо этого он живет в синтрофном союзе с двумя совершенно другими группами прокариот. Одна из них — это сульфатредуцирующие бактерии, которых никто предками митохондрий не считает. Вторая — метаногенные археи, с которыми дело обстоит еще хуже. Не следует забывать, что примерно 75% генов эукариот имеют не архейное, а бактериальное происхождение (см., например: J. A. Cotton, J. O. McInerney, 2010. Eukaryotic genes of archaebacterial origin are more important than the more numerous eubacterial genes, irrespective of function). Едва ли не главная «интрига» эукариотизации заключается в выяснении того, откуда эти бактериальные компоненты взялись. Ясно, что от симбионтов. Но у прометеоархеума на месте ожидаемого бактериального симбионта оказалась еще одна архея! Неожиданный факт, который ничего не объясняет, зато запутывает ситуацию уже просто до отчаяния.

Японцы, однако, не спасовали и выстроили на основе новых данных собственный сценарий происхождения эукариот, который, правда, отличается фантастической сложностью (с точки зрения дилетанта, во всяком случае; рис. 4). Итак, предполагается, что поначалу асгардархея спокойно жила на дне, питалась аминокислотами и делилась водородом с метаногенной археей, которая была ее синтрофным партнером. Уже тогда клетка асгардархеи приобрела длинные отростки, увеличивающие поверхность для обмена молекулами. После так называемого Великого кислородного события (Great Oxidation Event) океан обогатился сульфатами, и дополнительными синтрофными партнерами архей стали сульфатредуцирующие бактерии, оказавшиеся теперь в благоприятных условиях и потеснившие метаногенов (D. E. Canfield et al., 2000. The Archean sulfur cycle and the early history of atmospheric oxygen). Однако с увеличивающейся концентрацией кислорода тоже надо было что-то делать. Некоторые асгардархеи научились его утилизировать, совершенно самостоятельно освоив кислородное дыхание — если верить биоинформатике, по этому пути пошли хеймдалльархеи (A. Spang et al., 2019. Proposal of the reverse flow model for the origin of the eukaryotic cell based on comparative analyses of Asgard archaeal metabolism). Предки эукариот выбрали другой путь. Самостоятельно вырабатывать кислородное дыхание они не стали, но зато нашли новых синтрофных партнеров, которые уже им владели. Вот это и были альфа-протеобактерии, предки митохондрий. Дальнейшие события происходили более или менее по сценарию Баумов: ветвящиеся выросты асгардархеи слились между собой, заперев альфа-протеобактерию в замкнутой полости, и в результате возникла протоэукариотная клетка.

Рис. 4. Новый сценарий происхождения эукариот. На стадии 1 асгардархея, питающаяся аминокислотами (AAs), поддерживает синтрофные отношения только с метаногенной археей. На стадии 2 океан обогащается кислородом и сульфатами, поэтому к синтрофии присоединяются сульфатредуцирующая бактерия и альфа-протеобактерия, причем сульфатредуктор вытесняет метаногенную архею. На стадии 3 взаимозависимость асгардархеи и альфа-протеобактерии усиливается, и первая охватывает вторую своими выростами (как и предполагали Баумы). На стадии 4 эти выросты сливаются, и альфа-протеобактерия оказывается заперта внутри асгардархейной клетки, которую теперь уже можно смело назвать протоэукариотной. На стадии 5 альфа-протеобактерия начинает паразитировать на своем архейном хозяине, выкачивая из его клетки АТФ с помощью встроенного в мембрану транспортера (AAC). Но любой транспортер такого рода можно «раскрутить» в обратную сторону, и после своего окончательного порабощения альфа-протеобактерия, ставшая митохондрией, начинает, наоборот, отдавать хозяйской клетке избыток собственного АТФ, что мы и видим на стадии 6. Многие другие метаболические детали, указанные на схеме, в тексте не обсуждаются (они все равно могут еще измениться). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в bioRxiv, с изменениями

Неподведенные итоги

На данный момент проблему происхождения эукариот нельзя считать решенной, но биология стремительно продвигается к ее решению — по крайней мере, на это есть основания надеяться.

Важный факт, который, хочешь не хочешь, приходится признать, состоит в том, что локиархеи — это никакие не переходные формы между прокариотами и эукариотами. Они нормальные прокариоты — разумеется, со своими особенностями, но ведь мир прокариот вообще очень разнообразен. Можно ли сказать то же самое о других асгардархеях, пока никто не знает, тут нужны новые находки. Во всяком случае, в отношении локиархей надежды на то, что они окажутся промежуточной стадией некоего постепенного и закономерного подъема жизни с прокариотного уровня на эукариотный, явно не оправдались. Пока что известные факты больше соответствуют мнению упомянутого выше Уильяма Мартина: эукариотизация — просто уникальное событие, не очень-то постепенное и не продиктованное никакими общими законами. Коллега Мартина Ник Лейн (Nick Lane) пишет по этому поводу: «Происхождение эукариотических клеток выглядит гораздо менее вероятным, чем возникновение многоклеточности, полета, зрения и разума. Оно выглядит как истинная случайность, непредсказуемая, как удар астероида» (Н. Лейн, 2016. Энергия, секс и самоубийство. Митохондрии и смысл жизни).

В распоряжении живых организмов всегда находится больше возможностей, чем обычный человек за разумное время может наглядно вообразить. Яркий тому пример — биохимия асгардархей. На данный момент выглядит неплохо обоснованным мнение, что предок асгардархей (и эукариот) имел тот же тип метаболизма, который мы видим у прометеоархеума: он был гетеротрофом, питался аминокислотами, сильно зависел от внешних источников органических молекул, выделял водород в качестве одного из конечных продуктов и участвовал в синтрофных отношениях. Но у асгардархей встречается и много других типов метаболизма. Вероятно, среди них есть даже фотосинтезирующие существа, живущие за счет энергии света (P.-A. Bulzu et al., 2018. Casting light on Asgardarchaeota metabolism in a sunlit microoxic niche). В работах на эту тему регулярно подчеркивается, что асгардархеи в высшей степени наделены качеством, которое обозначается английским словом versatile: разносторонний, изменчивый, универсальный, подвижный, гибкий, переналаживаемый, приспособляемый. Судя по всему, в процессе эволюции они легко переходили с одного типа метаболизма на другой. Нет ничего удивительного и в том, что они легко меняют партнеров по синтрофии. Здесь возможно великое множество комбинаций, из которых пока изучена лишь одна — но уже ближайшие годы могут принести много новых данных. И какая из этих комбинаций реализовалась при возникновении эукариот, пока судить рано. Скорее всего, существует целое поле вариантов синтрофии, не являющихся физически (точнее, термодинамически) запрещенными, а значит, являющихся потенциально возможными. Предки эукариот прочертили по этому полю только одну траекторию — но она могла быть весьма причудливой, что, собственно, и демонстрирует нам гипотеза, предложенная японскими исследователями.

А ведь есть и альтернативные идеи. Есть предположение Тайса Эттемы и его коллег, что общий предок асгардархей, в отличие от более позднего непосредственного предка эукариот, обладал очень древним метаболическим путем Вуда — Льюнгдаля, а значит, был автотрофом, превращавшим углекислоту в органические молекулы (см. Источником энергии для древнейшей жизни мог служить ацетилфосфат, «Элементы», 14.07.2018). Есть особое мнение группы Патрика Фортерра, которая средствами молекулярной филогенетики пытается вообще оспорить происхождение эукариот от асгардархей (V. Da Cunha et al., 2017. Lokiarchaea are close relatives of Euryarchaeota, not bridging the gap between prokaryotes and eukaryotes); если бы эти выводы подтвердились, они фактически вели бы к восстановлению трехдоменной системы, которую сам же Фортерр раньше активно опровергал. В общем, скучать в этой области не приходится.

Новая гипотеза японских авторов имеет одну особенность: она — по крайней мере, так кажется на первый взгляд — не соответствует принципу экономии мышления. Но кто сказал, что природа всегда должна ему соответствовать? Чем более редкое событие мы рассматриваем, тем более необычное сочетание факторов может лежать в его основе. Эукариотизация — образцовый пример самого редкого события, какое только можно представить. Свести ее к взаимодействию между всего лишь двумя организмами, похоже, не удастся: факты явно противятся затискиванию сложнейшего эволюционного процесса в это прокрустово ложе. Решение загадки происхождения эукариот наверняка будет очень интересным — но простым оно точно не будет.

Источник: Hiroyuki Imachi, Masaru K. Nobu, Nozomi Nakahara, Yuki Morono, Miyuki Ogawara, Yoshihiro Takaki, Yoshinori Takano, Katsuyuki Uematsu, Tetsuro Ikuta, Motoo Ito, Yohei Matsui, Masayuki Miyazaki, Kazuyoshi Murata, Yumi Saito, Sanae Sakai, Chihong Song, Eiji Tasumi, Yuko Yamanaka, Takashi Yamaguchi, Yoichi Kamagata, Hideyuki Tamaki and Ken Takai. Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface // bioRxiv. 2019. DOI: 10.1101/726976.

Сергей Ястребов