Ближайшими родственниками митохондрий могут быть бактерии из горячих источников

Рис. 1. Исследование мексиканских ученых заставляет по-новому взглянуть на запутанные эволюционные отношения митохондрий и альфа-протеобактерий. Возможно, ближайшие из ныне живущих родственников митохондрий — бактерии, восстанавливающие иодид до иода. А вот риккетсии — бывшие кандидаты в ближайшие родственники — скорее всего относятся совсем к другой ветви. Рисунок приведен с иллюстративной целью, автор Георгий Куракин

Митохондрии — органеллы эукариотических клеток, помогающие им получать энергию из органических веществ. Уже точно известно, что митохондрии произошли от представителей обширной группы альфа-протеобактерий. Но от каких именно — ученые спорят до сих пор, и консенсуса пока нет. В недавно опубликованной статье группа мексиканских исследователей попыталась в очередной раз ответить на вопрос, какие из бактерий являются ближайшим родственником митохондрий. Для этого они посмотрели на расположение генов у ныне живущих альфа-протеобактерий и их биохимические пути. Оказалось, что по этому признаку митохондрии стоят ближе всего к иодидимонадам — недавно открытым бактериям, живущим в горячих источниках.

Прошло уже полвека с момента, как Линн Маргулис опубликовала свою теорию о происхождении митохондрий (а также хлоропластов) от бактерий, давным-давно вступившим в эндосимбиотические отношения с нашим далёким предком. Сейчас мы знаем, что митохондрии — это бывшие альфа-протеобактерии, то есть их предки находятся в одной группе с паразитами риккетсиями, эндосимбионтами вольбахиями, азотфиксирующими симбионтами ризобиями. В этой группе столько симбионтов и паразитов, что оформившиеся у исследователей к началу 2000-х годов подозрения, а не произошли ли митохондрии от бактерий, напоминающих рикеттсий или вольбахий, казались вполне закономерными.

Расчеты в ранних исследованиях по эволюции митохондрий показывали, что эти органеллы являются ближайшими родственниками риккетсий — патогенных бактерий, вызывающих такие заболевания, как сыпной тиф и пятнистая лихорадка Скалистых гор (V. Emelyanov, 2001. Evolutionary relationship of Rickettsiae and mitochondria). В некоторых моделях митохондрии даже отображались на филогенетическом дереве как подгруппа риккетсий.

На первый взгляд это могло показаться правдоподобным, так как между митохондриями и риккетсиями много общего. И те, и другие не способны жить вне клеток эукариот (рис. 2), и те, и другие имеют сильно редуцированный геном и собственный метаболизм. Риккетсии даже «предпочитают» сами не синтезировать АТФ, вместо этого заимствуя его из клетки-хозяина. (Впрочем, сами они все-таки могут его синтезировать — в тех случаях, когда у клетки-хозяина его вообще больше нет, см.: A. Sahni et al., Pathogenesis of Rickettsial Diseases: Pathogenic and Immune Mechanisms of an Endotheliotropic Infection.) Митохондрии, которые, наоборот, только синтезом АТФ и заняты, получают большую часть всех остальных необходимых метаболитов из клетки-«хозяина». В таком сценарии получалось, что риккетсии — это что-то вроде «митохондрий наоборот». Даже высказывалась гипотеза, что предок митохондрий сначала был паразитом вроде риккетсии, который уже в процессе сожительства с клеткой «исправился» и стал сам снабжать ее АТФ вместо того, чтобы воровать.

Рис. 2. Риккетсии (красные) внутри клетки эукариоты. Являясь облигатными внутриклеточными паразитами, риккетсии, относящиеся к альфа-протеобактериям, не могут жить вне клетки хозяина... прямо как митохондрии. Это одна из причин, по которым считается, что митохондрии и риккетсии произошли от общего бактериального предка. Рисунок из коллекции сервиса научной графики Mind The Graph

Эта теория выглядит стройно на первый взгляд, но зиждется на одном важном допущении: к моменту возникновения митохондрий эукариотическая клетка должна была уже в целом сформировать свой облик — риккетсии-то колонизируют эукариот, как и вольбахии, и прочие внутриклеточные альфа-протеобактерии. Но в последнее время накапливается все больше данных о том, что предок митохондрии колонизировал не готовую эукариоту, а прокариоту, не сильно отличавшуюся уровнем организации от него самого (Эукариотические клетки могли возникнуть в результате двойного эндосимбиоза, «Элементы», 10.07.2023). А вот альфа-протеобактерии, колонизирующие прокариот, современной науке не известны.

На самом деле, близкое расположение митохондрий и риккетсий на филогенетических деревьях объясняется ошибкой филогенетического анализа, известной как притяжение длинных ветвей (long branch attraction). Суть ее заключается в том, что, если две ветви на филогенетическом дереве будут иметь значительно большую длину, они будут располагаться рядом вне зависимости от того, насколько близкородственны соответствующие организмы. Например, если собрать набор данных из генов растений семейства Бобовые и добавить к нему гомологичные гены человека и бактерии, то на дереве человек окажется ближе к бактерии, чем к бобовым (потому что и ветвь человека, и ветвь бактерии будут необычно длинными для этого дерева). Мы знаем, что это не так, но алгоритмы расчета эволюционных деревьев не очень умеют бороться с такой ошибкой. А ее обнаружение и корректировка довольно сложны и часто упускаются из виду, и к тому же требуют дополнительных данных.

И митохондрии, и риккетсии — это типичные длинные ветви. Если ты живешь в клетке другого организма, тебе приходится эволюционировать куда быстрее родственников, находящихся на свободе: приспособление к обитанию внутри другого организма требует гораздо больше изменений, чем приспособление к любой, даже самой суровой, внешней среде. Поэтому риккетсии и митохондрии притягивались друг к другу не потому, что они произошли от одного общего внутриклеточного предка, а потому, что оба живут в клетке-хозяине.

Но если не риккетсии, то кто? Разные исследовательские группы применяли различные методики: отказывались от привычных деревьев в пользу сетевых моделей с заковыристым математическим аппаратом, привлекали метагеномные данные (использовали бактериальную ДНК с океанского дна) — но ничего определенного сказать не могли. То митохондрии оказывались близкородственны чуть ли всем альфа-протеобактериям подряд, кроме — внезапно — риккетсий (D. Carvalho et al., 2015. What are the Evolutionary Origins of Mitochondria? A Complex Network Approach). То вообще оказывалось, что ведущая к митохондриям «ветка» ответвилась раньше всех ныне живущих — и, таким образом, родственников у них просто не осталось (J. Martijn et al., 2018. Deep mitochondrial origin outside the sampled alphaproteobacteria). Подробный обзор этих исследований можно найти в моей статье «Внимание! Разыскивается предок митохондрий!». В общем, можно сказать, что сколько исследователей — столько и мнений о ближайшем родственнике митохондрий.

Недавно в эту копилку гипотез добавилась еще одна — от исследователей из Национального автономного университета Мексики. В своей статье, опубликованной в журнале Science Advances, они решили поискать ближайшего родственника митохондрий не по привычным последовательностям генов и белков (хотя тоже использовали их как вспомогательные данные), а по отдельным генетическим и биохимическим признакам. Это похоже на то, как раньше, до появления молекулярной филогенетики, эволюционные деревья млекопитающих строили по их морфологическими особенностям. Воистину, все новое — это хорошо забытое старое.

Прежде всего исследователи предположили, что у ближайшего родственника митохондрий гены белков дыхательной цепи будут расположены как у митохондрий — такое явление называется синтенией. Только вот незадача: у современных митохондрий очень маленький геном, и большинство их генов перенесено в ядро эукариотической клетки. Но есть и хорошие новости — эукариоты дивергировали почти с самого момента возникновения, и митохондрии теряли гены в каждой линии эукариот по-разному. В итоге у митохондрий разных организмов сохранились разные фрагменты былых «цепочек» генов — их можно сравнить с геномами ныне живущих альфа-протеобактерий и посмотреть, что таким образом «соберется» из генов, как из кубиков (рис. 3). Выяснилось, что «собирается» последовательность генов бактерий порядка Iodidimonadales.

Рис. 3. У гельминта онхоцерки, инфузории Tetrahymena и других эукариот в геноме митохондрий сохранились разные блоки стоящих вместе генов. Некогда у бактериального предка митохондрий они образовывали большой оперон. Их можно выровнять с оперонами альфа-протеобактерий и посмотреть, какой из оперонов из них можно «собрать». Пока проще всего «собрать» таким образом цитохромоксиданый оперон иодидимонады, кодирующий белки ее дыхательной цепи. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Дополнительные критерии поиска «братьев» и «сестер» митохондрий включали в себя наличие тех или иных ферментов, необходимых для синтеза мембранных липидов и метаболизма кинуренина. Здесь действовал похожий принцип реконструкции — например, если митохондрии разных таксонов эукариот несут в себе разные типы фермента кардиолипинсинтазы, то, значит, у последнего общего предка митохондрий и какой-нибудь бактерии было две кардиолипинсинтазы. Теперь остается поискать, у каких бактерий сейчас их две — и да, опять на этом попадаются иодидимонады.

Эта экзотическая группа бактерий была описана только в 2016 году (T. Iino et al., 2016. Iodidimonas muriae gen. nov., sp. nov., an aerobic iodide-oxidizing bacterium isolated from brine of a natural gas and iodine recovery facility, and proposals of Iodidimonadaceae fam. nov., Iodidimonadales ord. nov., Emcibacteraceae fam. nov. and Emcibacterales ord. nov.). Известные на сегодняшний день представители живут в горячих источниках и окисляют иодиды, которыми богата океанская вода, до молекулярного иода (рис. 4). Вплоть до недавнего времени они были мало кому известны — но теперь Google на запрос Iodidimonas выдает новости об обсуждаемой статье о происхождении митохондрий. Так целая группа бактерий неожиданно «прославилась» благодаря своей знаменитой родне.

Рис. 4. Иодидимонады растут на среде, содержащей иодиды и крахмал. Выделяющийся молекулярный иод дает характерную цветную реакцию с крахмалом, окрашивая среду под колониями в фиолетовый цвет. Фото из статьи S. Amachi, T. Iino, 2022. The Genus Iodidimonas: From Its Discovery to Potential Applications

Но является ли обсуждаемая статья окончательным ответом на вопрос о ближайшем родственнике митохондрий? Скорее всего, нет — пока она выглядит лишь как еще одна статья в череде работ по этому вопросу с использованием разных методов. Быстрая эволюция митохондрий после эндосимбиотического события и редукция их генома настолько затерли достоверные эволюционные сигналы, что этот вопрос еще долгое время будет нерешенным.

Кроме того, могут быть открыты новые виды бактерий, которые окажутся еще более похожими на митохондрии по описанному набору дискретных признаков. «Я не удивлюсь, если через три, пять или десять лет появится новый кандидат, который будет еще ближе к тому, что мы называем протомитохондриями», — комментирует Отто Гейгер, один из авторов работы, в разговоре с New Scientist.

Тем не менее обсуждаемое исследование хорошо складывается в один пазл с недавними работами по происхождению митохондрий, которые обсуждались в новости Эукариотические клетки могли возникнуть в результате двойного эндосимбиоза («Элементы», 10.07.2023). Как мы писали, всё больше данных свидетельствует о происхождении митохондрий от бактерий, которые поначалу просто жили рядом с нашим архейным предком и (предположительно) окисляли для него сероводород. Постепенно симбиоз становился всё теснее, и в конечном итоге альфа-протеобактерии перешли к эндосимбиозу, заодно отказавшись и от метаболизма соединений серы в пользу исключительно кислородного дыхания.

Конечно, в таком сценарии все участники эндосимбиоза на момент его начала должны были быть свободноживущими и жить где-то в древнем океане, существовавшем на Земле более миллиарда лет назад — включая предка митохондрий. Бактерии из горячих источников оказываются идеальными кандидатами на роль его ближайших потомков. Так что статью мексиканских исследователей нужно рассматривать именно в комплексе с остальными работами.

Если две группы биоинформатиков разными методами и с использованием разных данных нашли подтверждение двойному эндосимбиозу (который и должен был произойти в описанном выше сценарии), то мексиканские исследователи обнаружили вероятного свободноживущего родственника митохондрий. Это отлично согласуется с гипотезой наличия у них свободноживущего (а не паразитического) предка и является еще одним кирпичиком в основании гипотезы, что сначала были митохондрии и только потом — эукариоты. Но до последнего слова в вопросе эволюции митохондрий еще очень далеко.

Источник: Otto Geiger, Alejandro Sanchez-Flores, Jonathan Padilla-Gomez, Mauro Degli Esposti. Multiple approaches of cellular metabolism define the bacterial ancestry of mitochondria // Science Advances. 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adh0066.

Георгий Куракин