LUCA стал древнее и при этом сложнее

Рис. 1. По результатам нового исследования LUCA мог выглядеть примерно так: палочковидный прокариот, заключенный в такую же мембрану, как у современных бактерий, и живший в горячих источниках. Рисунок с сайта pixabay.com

Новая реконструкция LUCA (последнего общего предка всех клеточных организмов), выполненная на основе биоинформатического анализа геномов многих ныне живущих видов бактерий и архей, может изменить прежние представления о нем. Предыдущие реконструкции указывали на то, что LUCA был просто организован и зависел от геохимических процессов. В новом исследовании авторы нашли признаки того, что LUCA уже был довольно сложным палочковидным прокариотом, который даже умел бороться с вирусами. Более того, его метаболические особенности позволяют предположить, что он жил не один, а в компании других микробных видов. И эта вся экосистема могла существовать еще до поздней тяжелой бомбардировки — более 4 млрд лет назад.

Если построить филогенетическое дерево всех живых существ на Земле, то они окажутся восходящими к единому общему предку — last universal common ancestor, или LUCA. От него происходят бактерии и археи — два крупных домена современной клеточной жизни, на основе которых в дальнейшем образовались эукариоты. Исследователи не сомневаются в существовании LUCA, но кем он был и как выглядел — остается загадкой.

Очевидно, что этот организм был прокариотом, подобно современным бактериям и археям. Но прямых свидетельств о его внешнем облике или метаболизме нет — связанных с ним окаменелостей не обнаружено (да, если бы они и остались, не было бы никакой возможности понять, что это LUCA). Единственный способ составить представление о LUCA — реконструировать репертуар его генов. Методами биоинформатики идентифицируют гены, гомологи которых присутствуют у большинства представителей всех трех доменов жизни — бактерий, архей и эукариот — и проследить их происхождение до LUCA. Проделав такую манипуляцию с сотнями и тысячами генов, можно получить список генов, которые точно присутствовали в геноме этого общего предка.

Далее для каждого гена из этого списка можно предположить его функцию. Для этого существует два основных подхода, которые часто комбинируются. Во-первых, у всех ныне живущих потомков она могла остаться той же самой: так дело обстоит, например, с генами субъединиц мембранной АТФ-синтазы. У ныне живущих организмов этот сложный белок встроен в какую-либо мембрану и синтезирует АТФ за счет энергии протонов — логично предположить, что у LUCA он выполнял ту же функцию. Соответственно, и мембраны тоже были.... но об этом чуть ниже.

Во-вторых, при достаточно большом числе анализируемых генов у LUCA «обнаруживается» наличие целых наборов генов, которые у всех современных живых организмов связаны в один метаболический путь или в одну систему. Вряд ли сразу много генов резко поменяли свою функцию, да еще и у всех сразу, — и тогда данные по современным прокариотам и эукариотам можно экстраполировать на LUCA.

Наконец, исследователей волнует еще один вопрос относительно LUCA: когда он, собственно, жил? Такая оценка дала бы возможность установить «верхнюю границу» для времени возникновения жизни на Земле. Выяснить это можно с помощью метода «молекулярных часов», который основан на подсчете скорости накопления замен в последовательностях ДНК и переводе длины ветвей эволюционного дерева в абсолютные временные интервалы.

Биоинформатические исследования на тему «когда жил LUCA» и «что он из себя представлял» проводятся регулярно. Предыдущее такое исследование, где у LUCA были идентифицированы 355 семейств белков, вышло в журнале Nature Microbiology в 2016 году (M. Weiss et al., 2016. The physiology and habitat of the last universal common ancestor). В нем, в частности, отмечалось, что LUCA обладал путем Вуда — Льюнгдаля для фиксации углерода, то есть был ацетогеном, а наличие обратной гиразы явно выдавало в нем обитателя горячих источников. Но в этой работе он характеризовался как «полуживой» и сильно зависимый от протонных градиентов абиотического происхождения в минеральных протоклетках горячих источников: «Reconstructed from genomic data, LUCA emerges as an anaerobic autotroph that used a Wood–Ljungdahl pathway and existed in a hydrothermal setting, but that was only half-alive and was dependent upon geochemistry».

Ацетогены — бактерии, фиксирующие углекислый газ и выделяющие ацетон.

Обратная гираза — фермент, создающий избыточное механическое напряжение ДНК (как бы скручивающий пружину, в противоположность обычной ДНК-гиразе, ослабляющей ее). Такая манипуляция повышает стабильность ДНК при высоких температурах. Обратная гираза присутствует у термофильных бактерий и термофильных архей, эволюционные пути которых разошлись именно на стадии LUCA, при этом архейные и бактериальные последовательности этого фермента гомологичны. А значит, логично предположить, что он был и у LUCA.

Такой взгляд на LUCA тесно согласуется с поддерживаемой британским биохимиком Ником Лейном гипотезой, что первыми клетками были не привычные нам мешочки из фосфолипидов и терпеноидов, а минеральные протоклетки черных курильщиков, где протонный градиент создавался самопроизвольно за счет выбросов подводных вулканов. Мембраны таких клеток, скорее всего, состояли из пирита, то есть были железо-серные. В общем, в упомянутой выше статье 2016 года скорее получился «железо-серный» LUCA — наполовину живой, наполовину минеральный. Такой «протоорганизм» соответствовал доминировавшему до настоящего времени взгляду на LUCA.

Недавно появилась новая статья, посвященная реконструкции «облика» LUCA. В ней, в отличие от предыдущей, авторы в первую очередь повторно оценили его возраст. Для этого использовались пары консервативных генов, которые произошли в результате дупликации одного предкового гена у LUCA или его предка. Это, например, гены каталитической и некаталитической субъединицы мембранной АТФ-синтазы и гены аминоацил-тРНК-синтетаз для структурно сходных аминокислот. Фермент, соединяющий тирозин с его тРНК, и фермент, соединяющий триптофан и его тРНК, когда-то давным-давно, до LUCA, были одним белком, что видно при сравнении их последовательностей. Аналогично дело обстоит с ферментами, соединяющими лейцин и валин с их тРНК. Как тогда осуществлялась трансляция и насколько она была эффективна — неясно, и эта история непосредственно связана с историей генетического кода как такового. Но в прикладном смысле важно то, что раз эти белки образуют дерево с еще более глубоким корнем, чем LUCA, то по нему можно довольно точно прикинуть время существования LUCA.

LUCA часто ошибочно считают первым организмом на Земле. На самом деле, конечно, это не так. Косвенные данные (лингвисты назвали бы это «внутренней реконструкцией») показывают, что часть ферментов, обособленных на стадии LUCA, имела общего предка когда-то еще раньше. Кроме того, есть косвенные свидетельства в пользу РНК-мира — а LUCA, скорее всего, был уже организмом на основе ДНК, как мы. То есть история жизни на Земле началась задолго до LUCA — просто он стал единственным организмом, потомки которого выжили и заселили планету.

Доверительный интервал (95%) времени существования LUCA, найденный исследователями, покрывает период от 4,09 млрд лет назад до 4,33 млрд лет назад. И это во многом сюрприз, потому что в период от 4,1 млрд лет назад до 3,8 млрд лет назад случилась массивная астероидная бомбардировка Земли, получившая название поздней тяжелой бомбардировки. Ранее считалось, что земная жизнь возникла только после нее и саму бомбардировку пережить просто не могла. В последние годы как сам факт бомбардировки, так и его мощный стерилизующий эффект подвергаются сомнениям — и новые данные по филогении LUCA согласуются со скептическими взглядами на это событие. Была бомбардировка или нет, но LUCA ее пережил — так считают авторы обсуждаемой статьи.

Но еще более неожиданными оказался «портрет» LUCA, восстановленный по геномам современных организмов. Расчеты показали, что размер его генома составлял около 2,75 миллиардов пар оснований, а кодировал он больше 2,5 тысяч белков. Наличие гена MreB в его геноме указывает на то, что он был скорее палочкой, чем кокком. У современных бактерий цитоскелетный белок MreB, гомологичный актину эукариот, поддерживает палочковидную форму клетки, а утрата белка приводит к превращению бактерии в кокка.

Раз был цитоскелет, то он наверняка поддерживал мембрану. Судя по наличию ферментов биосинтеза липидов, она была липидной, как у современных бактерий и архей, но ее состав остался до конца не ясен. В общем, LUCA под микроскопом, будь он нам доступен непосредственно, мог выглядеть как обычная палочка (рис. 1). Жалко, окраску по Граму восстановить пока не представляется возможным...

Этот вполне полноценный прокариот, согласно обсуждаемой реконструкции, имел довольно обширный набор метаболических путей и мог похвастаться даже такими умениями которых нет у человека (рис. 2). У него присутствовал гликолиз и глюконеогенез, хотя в статье нет информации о том, какой тип брожения у него присутствовал — молочнокислое, спиртовое или какое-то другое.

С циклом Кребса тоже не все ясно. Из компонентов цикла Кребса реконструируются кетоглутарат:ферредоксин-оксидоредуктаза (кетоглутаратсинтаза), сукцинатдегидрогеназа и гомоцитратсинтаза, но часть необходимых для цикла ферментов обнаружить не удалось. Загвоздка в том, что сукцинатдегидрогеназа работает только в окислительном цикле Кребса, который «крутится» в ту же сторону, что и у человека, а кетоглутаратсинтаза — только в восстановительном цикле Кребса, который крутится «в обратную сторону», фиксируя CO₂. Получается, что для LUCA остаются вероятными все три взаимоисключающие модификации цикла Кребса: он мог быть «обычным», «обратным» или вообще незамкнутым.

Рис. 2. Схема известных в биохимии метаболических путей. Серым выделены пути, которые скорее всего присутствовали у LUCA, черным — которые практически точно были у него. Обратите внимание на «разорванный» цикл Кребса в центре — пока неизвестно, был ли он замкнутым и в какую сторону крутился. В правой части можно заметить цикл мочевины, который у LUCA если и был, то не полностью. В этом нет ничего удивительного — даже рыбы не испытывают в нем необходимости. Метаболизм углеводов, нуклеотидов и аминокислот у LUCA был уже сформирован, а вот по части терпеноидов и поликетидов он еще ничего не умел: это все было впереди. Рисунок из обсуждаемой статьи

Новая реконструкция подтвердила прежние результаты, показывающие наличие у LUCA обратной гиразы и пути Вуда — Льюнгдаля — а значит, он действительно был термофильным ацетогеном. У LUCA также не удалось установить наличие аналогов и гомологов цитохромоксидазы — фермента, передающего электроны на кислород, который знаменит уязвимостью к блокированию цианидом. А значит, LUCA был еще и анаэробом. Что логично, ведь до Кислородной катастрофы оставалось еще около полутора миллиардов лет, и во времена LUCA кислород в земной атмосфере если и был, то в микроскопических количествах.

Помимо всего этого, в геноме LUCA была представлена железо-никелевая гидрогеназа (рис. 3, а), что означало способность LUCA получать энергию за счет окисления водорода. Вероятно, водород выделялся древними подводными вулканами, где и обитал LUCA — и, таким образом, он был хемолитоавтотрофом, синтезируя органику за счет энергии, которую получал из неорганических веществ. По аналогии с современными ацетогенами авторы предполагают, что он был не против полакомиться и готовой органикой, если она ему перепадала... а, кстати, откуда? Похоже, на тот момент органический мир одним LUCA не исчерпывался.

Рис. 3. а — графическое представление присутствовавших у LUCA структур клетки и метаболических путей. b — так могло бы выглядеть филогенетическое дерево для LUCA, если бы у нас были данные по его вымершим современникам. c — LUCA предположительно фиксировал углекислый газ и выделял ацетат, что характерно для ацетогенов. d — это косвенно может указывать, что он был частью экосистемы, состоящей из синтрофных прокариот, ацетогенов и метаногенов. e — эта экосистема, в свою очередь, могла быть частью древней биосферы земного океана, представленной хемоавтотрофными и хемогетеротрофными прокариотами. Рисунок из обсуждаемой статьи

Еще одной ключевой новостью обсуждаемой реконструкции LUCA стало обнаружение у него белков системы Cas — эффекторных ферментов, разрезающих чужеродную ДНК в системе CRISPR/Cas. Такие системы бактериального происхождения активно используются в генной инженерии как точные генетическое «ножницы», но их исходный эволюционный смысл — защищать прокариот от вирусов. У LUCA отсутствовал первый компонент системы CRISPR/Cas — CRISPR-кассеты, обеспечивающие специфическое распознавание вирусов. То есть генетическое ножницы были очень неточны — но резали! То, что они вообще возникли у LUCA, косвенно указывает на присутствие вирусов в его эпоху.

Помимо того, что это открывает новую главу в изучении происхождения вирусов (они оказываются древнее всей нынешней клеточной жизни), это еще намекает на то, что мир LUCA был интереснее, чем мы думаем. Он не состоял из одного лишь LUCA — и, возможно, его населяла еще и другая клеточная жизнь. Правда, это только предположение авторов, основанное на реконструированной физиологии LUCA и требуемых для этого условий (рис. 3, b–e). Если современники LUCA и существовали, они не оставили живых потомков — хотя их гены вполне могли попасть в одну из ныне живущих линий путем горизонтального переноса. Может быть, они ждут своих биоинформатиков, которые их вычислят?

В итоге вместо полуживого скопления белков и нуклеиновых кислот в железо-серных минеральных клетках мы имеем совершенно другой образ общего предка человека и кишечной палочки (как и вообще всей клеточной жизни на Земле). Сами авторы новой статьи в заключении охарактеризовали его так: «В результате получился образ клеточного организма, по уровню сложности скорее соответствующего прокариотам, нежели прогеноте. Он предположительно был компонентом экосистемы и использовал путь Вуда — Льюнгдаля для ацетогенного роста и фиксации углерода» («The result is a picture of a cellular organism that was prokaryote grade rather than progenotic and that probably existed as a component of an ecosystem, using the WLP for acetogenic growth and carbon fixation»).

Если это действительно так, то мы все — потомки специфичного и довольно высокоорганизованного ацетогена, жившего в горячем источнике. Однако, и сами исследователи, и внешние эксперты (такие как Патрик Фортер, автор термина LUCA) считают, что это еще далеко не последнее слово в реконструкции облика LUCA и времени его жизни. В частности, сомнения вызывает датировка его существования — на таких временных промежутках филогенетические методы могут давать большие ошибки. Так что до консенсуса пока далеко — и делать далеко идущие выводы о времени возникновения жизни на Земле пока рано.

Источник: Edmund R. R. Moody, Sandra Álvarez-Carretero, Tara A. Mahendrarajah, James W. Clark, Holly C. Betts, Nina Dombrowski, Lénárd L. Szánthó, Richard A. Boyle, Stuart Daines, Xi Chen, Nick Lane, Ziheng Yang, Graham A. Shields, Gergely J. Szöllősi, Anja Spang, Davide Pisani, Tom A. Williams, Timothy M. Lenton & Philip C. J. Donoghue. The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system // Nature Ecology & Evolution. 2024. DOI: 10.1038/s41559-024-02461-1.

Георгий Куракин