Подсчитан вклад архейных и бактериальных генов в эукариотные геномы

Рис. 1. Разнообразие эукариот, не относящихся ни к животным, ни к высшим растениям. По часовой стрелке, начиная с верхнего левого изображения: красная водоросль (Chondrus), бурая водоросль (Macrocystis), инфузория (Frontonia), золотистая водоросль (Dinobryon), скелет радиолярии, паразитический жгутиконосец лямблия (Giardia), амеба (Acanthamoeba) и слизевик (Fuligo). У водорослей повышена доля «бактериальных» генов, а у паразитических одноклеточных эукариот, вроде упоминаемой в тексте лямблии — доля «архейных». Изображение с сайта en.wikipedia.org

Давно известно, что эукариоты возникли в результате симбиогенеза: архейная клетка объединилась с бактериальной. Соответственно, в любом эукариотном геноме есть гены как архейного, так и бактериального происхождения. Но сколько там тех и других? До сих пор оценки были довольно грубыми. Сейчас это посчитали точно, используя базы прочитанных полных геномов. В среднем 44% эукариотных белок-кодирующих генов имеет архейное происхождения, а 56% — бактериальное. Однако в некоторых группах эукариот встречаются заметные отклонения от этих средних величин, причем в обе стороны, в зависимости от биологических особенностей.

Вот уже несколько десятилетий у биологов принято делить все живые организмы (кроме вирусов) на три группы: бактерий, архей и эукариот. Бактерии и археи отличаются маленьким размером клеток, их простой внутренней структурой и возможностью котранскрипционной трансляции. Последнее, конечно, требует пояснения. Как известно, во всех современных живых клетках генетическая информация хранится на ДНК. Когда тот или иной ген становится активен, информация «переписывается» с него на вновь синтезируемую молекулу РНК — происходит транскрипция. Потом РНК вступает в контакт с рибосомой, и с нее считывается информация, позволяющая рибосоме синтезировать белок. Процесс синтеза белка на рибосоме называется трансляцией. У бактерий и архей одна и та же молекула РНК может одновременно участвовать и в транскрипции, и в трансляции: она еще не до конца синтезирована, но ее свободный конец уже связался с рибосомой, и синтез белка начался.

Эукариотные клетки гораздо крупнее и сложно устроены внутри. Процессы транскрипции и трансляции у эукариот разделены в пространстве — они происходят по разные стороны ядерной оболочки, — а большинство генов богато интронами, бессмысленными внутригенными вставками, которые вырезаются из РНК специальными ферментами после транскрипции, но до того, как начнется синтез белка. Кроме того, у большинства эукариот есть особые органеллы с биоэнергетической функцией — митохондрии, которые были у их общего предка, хотя и исчезли потом в некоторых эволюционных линиях (см. Обнаружено первое животное без митохондриального генома, «Элементы», 02.04.2020).

Эукариоты эволюционно моложе бактерий и архей: они появляются в палеонтологической летописи гораздо позже (не менее чем на миллиард лет, хотя не исключено, что разрыв еще больше). От кого же они произошли — от архей или от бактерий?

Современный ответ гласит: эукариоты произошли от архей. Раньше они считались их сестринской группой, но более новые молекулярные исследования показали, что предки эукариот — не предшественники или родственники архей, а просто археи без всяких оговорок (см., например: Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот, «Элементы», 16.01.2017). Казалось бы, этот вопрос решен однозначно. И действительно, почему бы какой-нибудь архее, постепенно усложняясь, не превратиться в конце концов в эукариота?

Однако сейчас всеми признано, что объяснить происхождение эукариотной клетки просто-напросто невозможно без учета симбиогенетической теории, согласно которой в ней объединились компоненты, имеющие разное происхождение — как архейное, так и бактериальное (см., например: Теория симбиогенеза 50 лет спустя: параллельной эукариотизации, скорее всего, не было, «Элементы», 22.11.2017). Несомненные бактериальные компоненты — те же митохондрии, бывшие симбиотические бактерии, до сих пор сохраняющие собственный генетический аппарат. Это означает, что у эукариот заведомо есть и архейные, и бактериальные гены. Спрашивается, по каким же из них молекулярная систематика должна устанавливать родство?

История возникновения эукариот — настоящий вызов классической филогенетике, которая стремится найти место любому живому организму на одной из веточек последовательно ветвящегося древа. Проблема в том, что в точке происхождения эукариот архейная и бактериальная эволюционные ветви слились. Правильно ли вообще называть эукариот потомками архей? Симбиогенетическая теория ясно утверждает, что эукариоты — потомки и архей, и бактерий. Дополнительно задуматься над этим заставляют недавние исследования тех архей, которые генетически наиболее близки к эукариотам. Их найденные на данный момент представители — удивительно мелкие, лишенные присущей эукариотам внутренней сложности, но зато живут они в обязательном симбиозе с бактериями (см. Обнаружен живой представитель асгардархей, «Элементы», 22.08.2019).

Тезис, что эукариоты — не более чем преобразованные археи, мог бы подтвердиться, если бы оказалось, что большинство эукариотных генов имеет архейное происхождение. Но тут сразу возникает каверзный вопрос: а что, если окажется наоборот? Будет ли это означать, что эукариоты — не более чем преобразованные бактерии?

Для первых молекулярных филогенетиков, работавших 30–40 лет назад, этой проблемы не существовало по той причине, что они работали в основном с последовательностями рибосомных РНК и генов, которые их кодируют. Это было оправдано. Во-первых, рибосомные РНК — консервативные молекулы, удобные для выявления родственных связей: их структура меняется достаточно медленно. Во-вторых, их просто очень много: рибосомы могут составлять до 40% сухого веса клетки. Сразу же выяснилось, что эукариотные рибосомы имеют архейное, а не бактериальное происхождение. Это действительно бесспорно. Но гены, продукты которых имеют отношение к рибосомам — то есть гены рибосомных РНК и рибосомных белков — все в сумме составляют примерно 1% типичного бактериального или архейного генома (несколько десятков из нескольких тысяч генов). Остальные 99% анализировать сложнее. Но в наше время, когда несколько тысяч геномов полностью прочитано, это вполне возможно. Кем же являются эукариоты на полногеномном уровне?

Данные на эту тему накапливаются уже давно (см., например: А. В. Марков, А. М. Куликов, 2004. Происхождение эвкариот: выводы из анализа белковых гомологий в трех надцарствах живой природы). Но вот сейчас известный американский биолог Уильям Мартин (William F. Martin), много лет работающий в Германии, и его молодая коллега Юлия Брюкнер (Julia Bruckner) решили посчитать это точно. Они сравнили имеющиеся в современных базах полные геномы 5 443 видов бактерий, 212 видов архей и 150 видов эукариот. Большой перекос в сторону бактерий пока неустраним, но его можно учесть при обработке данных, чтобы это не давало артефактов. В общей сложности были обработаны генные последовательности, кодирующие 19 миллионов бактериальных и архейных белков и 3,4 миллиона эукариотных белков. Конечно, это всего лишь крохотная выборка из множества белков, которые существуют в природе (см. Расширение белковой вселенной продолжается, «Элементы», 24.05.2010), но для оценки она более-менее информативна.

Вывод: 44% белок-кодирующих генов эукариот имеют архейное происхождение, а 56% — бактериальное. Бактериальных генов в среднем на 12% больше. Однако это соотношение не является одинаковым для всех групп эукариот. У эукариот, имеющих хлоропласты (которые, как известно, произошли в конечном счете от цианобактерий; см. Открыт хищный родственник красных водорослей, «Элементы», 30.07.2019), бактериальное происхождение в среднем имеет 61% генов, а архейное только 39%. Это естественно, поскольку хлоропласты, как и митохондрии, имеют собственный геном бактериального типа и их гены интенсивно мигрируют в клеточное ядро. Самая большая доля генов бактериального происхождения оказалась у высших растений, например у злаков: 67%, то есть две трети.

Есть и такие эукариоты, у которых, наоборот, доля архейных генов оказалась гораздо выше средней. У Encephalitozoon — представителя микроспоридий, внутриклеточного паразита, вызывающего инвазионные заболевания у кроликов и людей, 86% белок-кодирующих генов имеет архейное происхождение и только 14% — бактериальное. Для известных геномов это рекорд. Но это связано не с приобретением новых архейных генов, а с потерей старых бактериальных. Дело в том, что бактериальные гены у эукариот кодируют белки, обеспечивающие всевозможные метаболические пути, а у внутриклеточных паразитов, которые могут отбирать почти все необходимые вещества в готовом виде у хозяина, метаболизм резко упрощается — потому и соответствующие гены исчезают. У других эукариотных паразитических микроорганизмов, например у лямблий и трихомонад, геномы тоже становятся более «архейными». Такова общая закономерность: самые «архейные» эукариоты — паразиты, самые «бактериальные» — растения или водоросли.

Рис. 2. Бактериальные и архейные компоненты эукариотной клетки. Коричневым цветом обозначен архейный компонент, голубым — первичный бактериальный компонент (предок митохондрий), зеленым — цианобактериальный компонент (предок хлоропластов). Симбиоз бактерии с археей возник без всякого участия фагоцитоза, благодаря способности архейных клеток к образованию выростов, между которыми смогли поселиться предки митохондрий. В образовавшейся сложной клетке произошло замещение архейных мембран бактериальными с попутным возникновением эндоплазматической сети, ядра и других мембранных структур; предполагается, что источником всех этих мембран были пузырьки, которые отшнуровывались от внешней мембраны митохондрий. От архейного участника симбиоза эукариотам досталась в основном информационная составляющая генома и клеточных механизмов, от бактериального — в основном метаболическая. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Genome Biology and Evolution

Исследование подтвердило, что «архейные» и «бактериальные» гены эукариот совершенно неравномерно распределены по функциям. Уже довольно давно бытует представление, что от архей эукариоты унаследовали в первую очередь гены, продукты которых обеспечивают работу генетического аппарата, а от бактерий — гены, связанные с обменом веществ. Действительно, большинство «информационных» генов (как минимум три четверти) получено эукариотами от архей, а большинство «метаболических» генов (как минимум две трети) — от бактерий.

Некоторые эукариотные гены вообще нельзя отнести ни к архейной, ни к бактериальной группе. Это гены, возникшие внутри эукариот — либо de novo из некодирующей ДНК (такой путь теоретически возможен), либо путем дупликаций и рекомбинаций фрагментов разного происхождения, которые потом еще и быстро разошлись (дивергировали). Выводы, сделанные Мартином и Брюкнер, относятся только к консервативным генам, где архейная или бактериальная преемственность еще хорошо заметна.

Тем не менее эти результаты убедительно и — самое главное — математически точно показывают, что пренебрегать бактериальной составляющей эукариотных геномов нельзя ни в каком приближении. Более того, «если бы эукариот классифицировали по геному, основываясь на демократических принципах, то они были бы отнесены к бактериям, а не к археям», — пишут Мартин и Брюкнер. Преобладание бактериальных генов исчезает только у тех эукариот, которые являются внутриклеточными паразитами. Архейные гены гораздо более устойчивы: это понятно, они обеспечивают копирование генетической информации и работу рибосом, и заменить их продукты нельзя ничем.

В заключение Мартин и Брюкнер обращают внимание на следующее. Чем больше современные ученые узнают об архейных родственниках эукариот, тем более резкой начинает выглядеть грань между эукариотами и прокариотами (под этим названием, как известно, объединяются все неэукариотные клеточные организмы, то есть бактерии и археи). Именно таковы всегда были предсказания Уильяма Мартина, и недавнее открытие живых локиархей прекрасно их подтвердило. Мартин считает, что симбиогенез, приведший к возникновению эукариот — это процесс, несводимый ни к какой сумме постепенных эволюционных переходов. Конечно, как правило, эволюция постепенна, но почему бы из правила не быть исключению? Ведь эукариотизация — одно из самых уникальных эволюционных событий. Верны эти рассуждения или нет, мы, вероятно, через какое-то время поймем, но в любом случае геномы эукариот могут послужить замечательным источником информации, документирующей их причудливую раннюю историю.

Источник: J. Bruckner, W. F. Martin. Bacterial genes outnumber archaeal genes in eukaryotic genomes // Genome Biology and Evolution. 2020. DOI: 10.1093/gbe/evaa047.

Сергей Ястребов