Универсальные паралоги помогают составить «портрет» LUCA

Рис. 1. Вверху — синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa), микрофотография с сайта helmholtz-hzi.de. Внизу — самая быстродвижущаяся в мире архея со жгутиками (см. Разгадана структура жгутика самой быстрой археи, «Элементы», 06.05.2022). Согласно современным представлениям, LUCA мог бы выглядеть как нечто среднее между ними, тоже имея достаточно сложное строение и жгутики для подвижности. Объяснение в тексте новости

Все существующие клеточные организмы происходят от одного-единственного прокариота, которого называют LUCA — последний универсальный общий предок. Мы знаем очень мало о его строении и физиологии. А еще мы почти ничего не знаем о том, что было до него и каковы были его современники. К счастью, некоторые белки являются паралогами у всех живых организмов — то есть происходят от одного предкового белка, выполняя в организме разные функции. А значит, корень их эволюционного дерева соответствует моменту до существования LUCA. Недавний обзор в Cell Genomics обобщает результаты реконструкций облика LUCA и предшествовавших ему событий по этим белкам. На сегодняшний день подтверждается представление о LUCA как о прокариоте со сложной структурой клетки (как у современных бактерий и архей), который жил в окружении других, впоследствии вымерших, прокариот.

В настоящее время биологи сходятся в том, что все клеточные организмы на Земле происходят от одного-единственного вида — прокариота под названием LUCA (что расшифровывается как Last Universal Common Ancestor, последний универсальный общий предок). Этот организм жил миллиарды лет назад, поэтому исследователи спорят, когда конкретно он существовал и что вообще из себя представлял (см. LUCA стал древнее и при этом сложнее, «Элементы», 02.09.2024). Оценки времени его жизни расходятся на сотни миллионов и даже миллиарды лет, а предположения о его строении и физиологии варьируют в очень широких пределах. Единственное, в чём согласны исследователи, — в том, что клеточного ядра у LUCA точно не было (до появления эукариот было еще очень долго). Но во всём остальном возможны самые разные варианты морфологии LUCA — от сообщества репликаторов и ферментов в минеральных протоклетках до оформленных клеток — либо очень простых, либо даже похожих на современных бактерий и архей и имеющих дополнительные «аксессуары» в виде жгутиков и выростов (рис. 1).

Минеральные протоклетки — это гипотетические структуры, формировавшиеся в геотермальных условиях (например, в порах гидротермальных источников) и представлявшие из себя микроскопические полости с минеральными стенками. Предположительно, они служили инкубаторами для ранних биохимических процессов и простейшего метаболизма до появления липидных мембран.

Определенности мало в том числе потому, что мы до недавнего времени мало знали об эволюции до появления LUCA — у нас нет данных по его соседям. Но недавний краткий обзор (perspective article) в журнале Cell Genomics показал, что очень многое об этом мы можем узнать из эволюции универсальных паралогов.

Чтобы методика была понятна, напомню терминологию. Гомологами называют гены (и не только гены, а также любые молекулы и органы), которые имеют общее происхождение. Они противоположны аналогам, которые сходны по структуре и функции, но развиваются в результате конвергентной эволюции. Гомологи, принадлежащие одному организму, но выполняющие внутри него разные функции, называются паралогами, в противоположность ортологам, которые принадлежат разным организмам и чаще всего выполняют одну и ту же функцию. Например, гены альфа-цепи гемоглобина (см. Hemoglobin subunit alpha) у человека и мыши — ортологи, а гены альфа- и бета-цепей (см. Hemoglobin subunit beta) гемоглобина — паралоги как у человека, так и у мыши. Миоглобин также может рассматриваться как паралог любой из цепей гемоглобина того же организма.

Если мы построим филогенетическое дерево альфа- и бета-цепей гемоглобина, то последнему общему предку человека и мыши (и по совместительству — общему предку плацентарных млекопитающих) будут соответствовать два узла дерева (рис. 2). Это происходит не потому, что у плацентарных млекопитающих было два последних общих предка, а потому, что в организме этого общего предка уже было два гена глобиновых цепей. А значит, дивергенция произошла когда-то раньше времени его существования. Ей соответствует корень дерева.

Рис. 2. Схематичное изображение филогенеза α- и β- субъединиц гемоглобинов человека и мыши. Общий предок человека и мыши — мышеподобное животное с длинным хвостом — образует два узла, потому что у него одного было два гена для цепей гемоглобина (на самом деле — и того больше). В один узел они сойдутся только у рыбоподобного предка, напоминающем миногу (крайний слева), но он при этом не является последним общим предком человека и мыши и отстоит от него на сотни миллионов лет. Для построения такого дерева достаточно данных только по млекопитающим — они всё равно позволяют увидеть эволюционное событие в популяции древних рыб, произошедшее задолго до выхода животных на сушу. Так паралогичные гены позволяют «заглянуть за горизонт» и увидеть события за пределами той эволюционной линии, данными по которой мы оперируем. Изображение создано с помощью сервиса MindTheGraph

Благодаря исследованиям других групп животных, кроме млекопитающих, мы знаем, что эта дивергенция произошла у каких-то древних рыб, возможно бесчелюстных, — еще до выхода животных на сушу. Но давайте проведем мысленный эксперимент и представим, что, кроме плацентарных млекопитающих, все другие формы жизни на Земле вымерли до появления человека, не оставив никаких следов. Остались мы и млекопитающие. Можем ли мы тогда отследить дивергенцию α- и β-глобиновых цепей, произошедшую до появления млекопитающих в организме древней рыбы? Ответ — «да», потому что для построения этого дерева не потребовалось данных по рыбам: мы использовали только последовательности глобиновых цепей млекопитающих. Но эволюционное событие, произошедшее до их появления, реконструируется по-прежнему.

Более того, мы можем попытаться кое-что сказать о животном, в организме которого произошло такое событие. Так как у него не было разных по строению субъединиц гемоглобина, значит, был бы невозможен кооперативный эффект связывания гемоглобина с кислородом — а значит, перенос кислорода кровью у него был менее эффективным, чем у млекопитающих. Получается, что и его образ жизни явно отличался от быстрых теплокровных зверей. (Так, в общем-то, всё и было.)

α- и β-субъединицы гемоглобина в нашем альтернативном мире, где выжили только плацентарные млекопитающие, были бы универсальными паралогами — то есть у всех без исключения живых организмов они были бы паралогами, формируя два узла на универсальном древе жизни. И именно это навело бы зоологов того вымышленного мира на мысль, что до мышеподобного общего предка существовало что-то еще, не вполне на него похожее.

Подобную логику можно применить и к LUCA: чтобы понять, что было до LUCA и из чего он получился, надо найти белки, которые являются паралогами у всех клеточных живых существ и формируют два узла на филогенетическом дереве, соответствующих LUCA (рис. 3). Эта задача более амбициозна — потому что речь идет о большей временной глубине, где точность молекулярной филогенетики снижается. На сегодняшний день известно всего всего 17 семейств белков, где есть универсальные паралоги. Правда, каждое семейство потенциально может включать в себя много пар паралогов, так что определенные выводы об эволюционных событиях до LUCA сделать можно.

Рис. 3. A. Схематичное изображение общего вида филогенетического дерева любой пары универсальных паралогов. B. Пример такого дерева с факторами инициации и элонгации трансляции. Рисунок из обсуждаемой статьи

Филогенетическое дерево пары универсальных паралогов на примере факторов инициации и элонгации трансляции

Все эти универсальные паралоги связаны с небольшим числом очень консервативных функций любой живой клетки. Это метаболизм аминокислот, процессы трансляции (синтеза белка по матрице РНК), перенос белков и пептидов через мембрану и, наконец, получение АТФ за счет протонного градиента на мембране. Да, последний процесс куда древнее дыхания и фотосинтеза, которые до сих пор «работают» на его основе.

Само по себе присутствие мембранной АТФ-синтазы в геноме LUCA — сильный довод в пользу наличия у него мембран, в которых они могли бы закрепляться. Этот довод дополнительно усиливается тем фактом, что каталитическая и некаталитическая субъединица мембранной АТФ-синтазы являются универсальным паралогами — то есть эта АТФ-синтаза эволюционировала до LUCA.

Мембранная АТФ-синтаза имеет вид «грибочка», вращающаяся «шляпка» которого состоит из каталитической субъединицы (на которой непосредственно и происходит реакция синтеза АТФ) и некаталитической субъединицы (рис. 4). Их правильное количественное соотношение в конструкции АТФ-синтазы необходимо, чтобы ток протонов мог обеспечивать реакцию синтеза АТФ. Если каталитическая и некаталитическая субъединица не отличаются друг от друга структурно и вся «шляпка» состоит из «деталей» одного и того же типа, то конструкция соберется — но синтезировать АТФ за счет энергии протонного тока она не сможет. Но сможет работать в обратном направлении, перекачивая протоны изнутри клетки наружу за счет энергии АТФ. Видимо, это и было исходной функцией этого сложного белка (см. J. P. Gogarten, L. Taiz, 1992. Evolution of proton pumping ATPases: Rooting the tree of life).

Рис. 4. Внешний вид и механизм действия АТФ-синтазы. Каталитической субъединицей является β-субъединица, некаталитической — α-субъединица, а вместе они входят в состав «шляпки» белкового комплекса. Филогенетический анализ показывает, что α- и β-субъединица происходят от общего предка — видимо, когда-то «шляпка» собиралась из одинаковых белковых субъединиц. Изображение из статьи G. E Valdebenito et al., 2023. The mitochondrial ATP synthase as an ATP consumer — a surprising therapeutic target

Такая функция была необходима для того, чтобы сохранять постоянство pH внутри клетки, делая его более высоким («щелочным») относительно окружающей более кислой среды. Интересно, что минеральным протоклеткам такая функция была не особо нужна: в них перепад pH поддерживался абиогенно. Так что даже прототип АТФ-синтазы был актуален только для уже самостоятельной клетки с хоть какой-нибудь, даже примитивной, мембраной.

Присутствие мембраны у LUCA и его предков подтверждается и другой парой универсальных паралогов — сигнал-распознающей частицей (Signal recognition particle) и ее рецептором (Signal recognition particle receptor). У современных прокариот и эукариот эти два белка осуществляют перенос белка через мембрану, если у белка есть особая «сортировочная метка» — сигнальная последовательность (почему частица и называется сигнал-распознающей). У LUCA два паралога — сама сигнал-распознающая частица и ее рецептор — выполняли ту же функцию. А вот их общий прототип, существовавший у предков LUCA, распознавать сигнальную последовательность не мог — хотя белки через мембрану переносил. И это снова говорит о том, что предки LUCA имели мембраны (см. A. J. Harris, A. D. Goldman, 2021. The very early evolution of protein translocation across membranes).

Эти находки перекликаются со статьей международной группы исследователей (с участием всемирно известного биохимика Ника Лейна), о которой мы писали ранее (см. LUCA стал древнее и при этом сложнее, «Элементы», 02.09.2024). Для датировки существования LUCA в этой работе также использовались универсальные паралоги — и их использование привело к «удревнению» возраста LUCA. По новым данным, он жил более 4 млрд лет назад, до поздней тяжелой бомбардировки.

Однако, помимо датировки, в той статье провели реконструкцию генома LUCA — уже не по универсальным паралогам, а по геномам ныне живущих организмов. Оказалось, что арсенал генов и белков у него был уже внушительным — включая даже прообраз системы CRISPR/Cas. В том числе у него был цитоскелет, который должен поддерживать мембрану, — а значит, мембрана точно была. Всё это заставляет предположить, что LUCA был скорее похож на своих далеких потомков с рис. 1, являясь не просто оформленной, а уже сложно устроенной клеткой — и обсуждаемая новая статья увеличивает вероятность такого сценария.

Универсальные паралоги позволяют заглянуть и глубже — в историю генетического кода и трансляции. Синтезом белка на рибосоме управляют два фактора, которые являются универсальными паралогами, — инициирующий фактор IF2, облегчающий связывание субъединиц рибосомы с мРНК, и фактор элонгации EF-Tu, обеспечивающий продвижение рибосомы по цепи мРНК. Вероятно, их общий предок был способен выполнять обе функции, буквально работая за двоих, — а потомки, возникшие в результате дупликации предкового гена, специализировались каждый на своей функции.

Что касается эволюции самого генетического кода, то здесь универсальные паралоги приоткрывают некоторые интересные подробности. В современных клетках — как и у LUCA — генетический код держится, по сути дела, на одной группе ферментов — аминоацил-тРНК-синтазах. Именно они отвечают за то, чтобы к «правильной» тРНК присоединилась «правильная» аминокислота — сама тРНК никак не распознает аминокислоту. Поэтому универсальные паралоги среди аминоацил-тРНК-синтаз — ценный источник информации об эволюции генетического кода как такового.

Одно из семейств универсальных паралогов образуют аминоацил-тРНК-синтазы для трех структурно сходных аминокислот: изолейцина, лейцина и валина. У всех у них сходная разветвленная алифатическая боковая цепь (см. BCAA). Метод реконструкции последовательностей показывает, что общий предок аминоацил-тРНК-синтаз для всех этих трех аминокислот мог связывать все три одинаково (см. G. P. Fournier et al., 2011. Molecular Evolution of Aminoacyl tRNA Synthetase Proteins in the Early History of Life). Это ожидаемо исходя из структурного сходства, но возникает вопрос: а каким же был генетический код в эпоху существования этого общего предка — и, главное, что его стабилизировало?

Еще более неожиданные результаты дало исследование второго семейства универсальных паралогов, состоящего из аминоацил-тРНК-синтаз для тирозина и триптофана (G. P. Fournier, E. J. Alm, 2015. Ancestral Reconstruction of a Pre-LUCA Aminoacyl-tRNA Synthetase Ancestor Supports the Late Addition of Trp to the Genetic Code). Эти аминокислоты тоже имеют некоторое структурное сходство — но их общий предок не умел связывать триптофан. Выглядит это так, как будто он был добавлен в генетический код поздно, однако и тут есть загвоздка.

Помимо филогенетики последовательностей, датировать появление тех или иных аминокислот в белках можно методом филостратиграфии (см. Genomic phylostratigraphy) — по частоте встречаемости разных аминокислот в доменах разного возраста. В таком исследовании триптофан выглядит очень древней аминокислотой — наряду с фенилаланином и тирозином. Всё выглядит так, что триптофан уже был в составе кода до появления для него «кодирующего» фермента.

Филогения обоих упомянутых семейств аминоацил-тРНК-синтаз указывает на то, что до появления современного способа кодирования специфическими ферментами мог существовать генетический код на какой-то другой биохимической базе — скорее всего, с прямым связыванием РНК и белка. Как оно могло осуществляться — до конца не ясно, но гипотез существует много. В книге «Происхождение жизни. От туманности до клетки» Михаил Никитин подробно описывает гипотезу о связывании кодонов РНК и аминокислот на поверхности некоторых минералов в безводной среде — но пока до конца не ясно, как это соотносится с консенсусным представлением о возникновении жизни, согласно которому этот процесс происходил в водной среде. Есть и более свежая гипотеза о специфическом связывании альтернативных конформаций ДНК — так называемых флипонов — с цепочками аминокислот (см. A. Herbert, 2025. Flipons and the origin of the genetic code). Наконец, существует коэволюционная теория генетического кода — согласно ей, генетический код представляет собой своеобразный эволюционный «отпечаток» путей биосинтеза аминокислот (см. M. Di Giulio, 2008. An extension of the coevolution theory of the origin of the genetic code). Какая из этих теорий верна — точно пока сказать нельзя, но универсальные паралоги указывают, что что-то подобное было.

Еще одна пара аминоацил-тРНК-синтаз рассказывает более потрясающую историю — речь идет о ферментах для серина и треонина. Эти аминокислоты тоже структурно сходны: обе имеют короткую алифатическую цепь и OH-группу, и вполне ожидаемо, что аминоацил-тРНК-синтазы для них происходят от общего предка. Но после их расхождения в ветвях обеих ферментов случилось странное. Филогенетическое дерево показывает, что большинство серил- и треонил-тРНК-синтаз содержится в довольно компактных кладах, объединяющих ферменты бактерий, архей и эукариот — то есть всех ныне живущих клеточных организмов. Но среди и серил-тРНК-синтаз, и треонил-тРНК-синтаз есть по одному необычному кластеру — отходящему очень рано, обнаруживающему длинную ветвь и объединяющему только ферменты некоторых архей (рис. 5).

Рис. 5. Эволюционное дерево серил-тРНК-синтаз (SerRS) и треонил-тРНК-синтаз (ThrRS). Для каждого из типов синтаз присутствует две ветви: короткая и компактная, включающая в себя большинство существующих живых организмов (A и C), и длинная, включающая в себя некоторых архей и, вероятно, отражающая древний горизонтальный перенос от организмов, не являющихся потомками LUCA. Изображение из статьи G. P. Fournier et al., 2015. Ancient horizontal gene transfer and the last common ancestors

Это означает, что некоторые археи получили свои серил- и треонил-тРНК-синтазы от каких-то организмов, не происходящих от LUCA. Значит, LUCA был не один — у него были какие-то клеточные «компаньоны». И более того, они какое-то время сосуществовали с археями — археи успели их «застать». Вероятно, они были родственниками LUCA — как минимум частично, судя по серил- и треонил-тРНК-синтазам.

А почему «частично»? Дело в том, что на ранних этапах развития жизни границы между видами могли быть совсем размыты из-за более интенсивного, чем сейчас, горизонтального переноса генов. Когда каждый организм — генетическая сборная солянка, сложно сказать точно, кто кому родственник.

В нашей предыдущей заметке на эту тему (см. LUCA стал древнее и при этом сложнее, «Элементы», 02.09.2024) уже фигурировала гипотеза, что LUCA был частью сообщества различных микроорганизмов — но там такая гипотеза выдвигалась исходя из реконструкции биохимии LUCA и предположений, какими организмами можно было бы ее «достроить», чтобы получилась устойчиво функционирующая система. Как оказалось, существуют и генетические свидетельства в пользу такой картины — и они еще больше приближают вероятный облик LUCA к нейрореконструкции на рис. 3.

Если LUCA был сложной клеткой, жившей в окружении других микроорганизмов (и, возможно, образовывавшей с ними синтрофную ассоциацию), то это автоматически ставит перед научным сообществом новые вопросы. Например, почему вымерли все другие формы, кроме LUCA и его потомков? Произошло какое-то массовое вымирание? Или они все оказались менее приспособленными и менее совершенными — но какими тогда они были? Несмотря на ограниченность доступного количества универсальных паралогов, их исследование делает мир до бактерий и архей куда более интересным. И куда менее понятным.

Источник: Aaron D. Goldman, Gregory P. Fournier, Betul Kacar. Universal paralogs provide a window into evolution before the last universal common ancestor // Cell Genomics. March 11, 2026. V. 6. Issue 3101140.

Георгий Куракин