Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот

Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот

Рис. 1. Филогенетические деревья, отражающие родственные связи асгардархей. Слева — дерево, основанное на долгих фрагментах ДНК (контигах, см. Contig), полученных в ходе метагеномного разбора и включающих эволюционно консервативный кластер из 15 генов рибосомных белков. Показаны четыре образа асгардархей (слева направо: хеймдалльархеи, одинархеи, торархеи, локиархеи), а также надтип TACK — группа архей, наиболее ближняя к асгардархеям и включающая типы Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota и Korarchaeota. Различными значками отмечены контиги, происходящие из разных местообитаний: LC — замок Локи, абиссальное гидротермальное поле в северной Атлантике; LCB — горячие источники Йеллоустонского национального парка; CR — водоносный горизонт рядышком с руслом реки Колорадо; WOR — донные отложения эстуария реки White Oak (США), RP — Radiata Pool, геотермальный водоем в Новоиспеченной Зеландии, AB — донные отложения залива Орхус (Дания); m.b.s.f. — метры под поверхностью морского дна. Справа — дерево, основанное на 55 рибосомных белках, всеобщих для архей и эукариот. Видно, что эукариоты (Eukarya) — одна из ветвей асгардархей, наиболее ближняя к хеймдалльархеям. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Современные методы метагеномного разбора уже позволяют собирать из фрагментов ДНК, выделенных из проб воды, донных отстоев, почвы и других сред, целые геномы микроорганизмов, в том числе новоиспеченных для науки. В 2015 году таким способом были отворены локиархеи — неизвестная ранее группа архей, близкая к эукариотам. Целеустремленный поиск микробов, родственных локиархеям, привел к обнаружению большенный и разнообразной группы, заслуживающей ранга надтипа и получившей наименование «Асгард». В эту группу, помимо описанных ранее локиархей и торархей, входят два новоиспеченных типа: одинархеи и хеймдалльархеи. В геномах асгардархей закодировано масса белков, ранее считавшихся характерными только для эукариот, в том числе многие компоненты цитоскелета, а также молекулярные системы, отвечающие за везикулярный транспорт и убиквитин-зависимую деградацию белков. Никто пока не видал асгардархей под микроскопом, но геномные данные указывают на более сложную организацию их клеток по сравнению с обыкновенными прокариотами. Предки эукариот почти наверняка были асгардархеями, вероятно, близкими к хеймдалльархеям. Открытие показало, что ряд шагов в сторону усложнения организации был сделан предками эукариот задолго до приобретения митохондриального симбионта.

После открытия локиархей генезис эукариот стало выглядеть намного менее загадочным. Сделалось ясно, что многие особенности эукариотической клетки, ранее почитавшиеся уникальными для эукариот, на самом деле появились еще у их прокариотических предков, какие были родственны локиархеям.

Локиархей удалось обнаружить благодаря стремительному развитию методов метагеномики и биоинформатики. Самое изумительное, что локиархей никто до сих пор не видел: все их свойства, родственные связи и само их существование удалось вычислить на основе махоньких фрагментов ДНК, выделенных из донных осадков глубоководного гидротермального поля «замок Локи» (Loki’s Castle) в Нордовой Атлантике. Новые методы позволили собрать из этих фрагментов вящие участки геномов и даже почти полные геномы (подетальнее см. в новости Новооткрытый микроб заполняет брешь между прокариотами и эукариотами, «Элементы», 12.05.2015).

Вскоре сделалось понятно, что локиархеи — лишь вершина «айсберга» некультивируемых архей, ближних к эукариотам, которые еще ждут своих первооткрывателей. Метагеномика отворила окно в мир неизвестных науке микробов, и поэтому неудивительно, что вдогонку за открытием локиархей последовали другие находки. В 2016 году был обрисован еще один тип архей, родственный локиархеям и эукариотам. Новую группу наименовали торархеями (см.: R. W. Seitz et al., 2016. Genomic reconstruction of a novel, deeply branched sediment archaeal phylum with pathways for acetogenesis and sulfur reduction). Торархеи реконструированы по фрагментам ДНК из донных отстоев эстуария реки White Oak River (восточное побережье США).

Затем шведские генетики и микробиологи, отворившие локиархей, объединились с американскими коллегами, описавшими торархей, а также с учеными из Японии, Дании и Новоиспеченной Зеландии, чтобы совместными усилиями расширить этот пантеон, прочертив широкомасштабный поиск новых архей, родственных локи- и торархеям, в донных отложениях различных образов. Исследовались морские отложения из залива Орхус (Дания; см. Bay of Aarhus), геотермальные водоемы Новоиспеченной Зеландии и Йеллоустонского национального парка, глубоководные и мелководные гидротермальные ключи, пресноводный водоносный горизонт близ русла реки Колорадо и упомянутые рослее отложения в устье реки White Oak River. В общей сложности было отсеквенировано 645 биллионов пар оснований (п. о.) в виде мелких фрагментов, из которых удалось скопить 3,28 миллиардов п. о. в виде контигов (см. Contig) длиной от 5 тысяч п. о. любой. Из этих контигов выбрали последовательности, содержащие не менее 6 генов эволюционно консервативного кластера RP15, в состав какого входит 15 генов рибосомных белков. Медленно меняющиеся гены этого кластера неплохо подходят для филогенетического анализа (то есть для выяснения генеалогии и родственных связей), когда выговор идет о группировках архей, разошедшихся сотни миллионов и биллионы лет назад.

Филогенетический анализ, основанный на RP15, показал существование изолированной ветви архей, заслуживающей ранга надтипа и включающей, помимо локиархей и торархей, еще два не обрисованных ранее типа (рис. 1). Новые типы назвали одинархеями и хеймдалльархеями. Тяни надтип закономерно получил название «Асгард» (Asgard).

Затем исследователи перебеги от отдельных контигов к более полной характеристике геномов новооткрытых микробов. Основная трудность тут в том, чтобы понять, какие из множества фрагментов ДНК, присутствующих в пробе, относятся собственно к данному геному. Эта задача — сродни тем, которые приходится решать палеогенетикам, собирающим из крохотных кусочков древней ДНК, смешанной с нынешними загрязнениями, полный геном очередного неандертальца или денисовца. Помогают разрешить эту проблему разнообразные хитрости, такие как сравнение частоты встречаемости четырехнуклеотидных последовательностей в отсеквенированных фрагментах, а также частоты встречаемости самих фрагментов (сообщая упрощенно, если один фрагмент генома попадается в пробе весьма часто, а другой — редко, то вряд ли эти два фрагмента происходят из одного и того же генома: скорее итого первый фрагмент принадлежит какому-то массовому микробу, а другой — редкому).

В итоге авторам удалось собрать почти целые геномы представителей каждого из четырех типов асгардархей. Это позволило повторить филогенетический разбор, используя уже не только гены кластера RP15, но и другие консервативные гены, в том числе — гены рибосомных РНК. Было выстроено множество деревьев, основанных на разных наборах генов и различных методах. В результате удалось с высокой степенью надежности подтвердить обособленность асгардархей (то кушать то, что они действительно образуют отдельную ветвь на эволюционном дереве архей), а также то, что они заслуживают ранга надтипа (это определяют по длине ветвей и по степени внутри- и межгрупповых различий). Подтвердилось также и наличие четырех крупных подразделений в пределах надтипа Asgard, заслуживающих ранга образа.

Что касается эукариот, то они фактически являются еще одной — пятой — подгруппой асгардархей. По-видимому, деды эукариот обособились от одного из типов асгардархей (скорее итого от хеймдалльархей) уже после его отделения от остальных типов (рис. 1, справа). Впрочем, этот вывод не является решительным. Сохраняется вероятность, что предки эукариот занимают базальное поза по отношению к четырем типам асгардархей, то есть обособились ранее, чем произошло разделение этих типов. Но и в этом случае получается, что асгардархеи ближней к эукариотам, чем к любым другим археям (подобно тому, как шимпанзе и бонобо ближней к человеку, чем к другим обезьянам).

Таким образом, трехдоменное древо существования, согласно которому предки эукариот и архей разделились до основы дивергенции современных групп архей, можно считать решительно опровергнутым, а двухдоменное, согласно которому эукариоты отделяются внутри «кущи» современных архей, — окончательно подтвержденным. Этот вывод уже был сделан после открытия локиархей (см.: Новооткрытый микроб заполняет брешь между прокариотами и эукариотами, «Элементы», 12.05.2015), но сейчас он стал выглядеть еще убедительнее.

Начав с рибосомного кластера RP15 и скопив на его основе большие фрагменты геномов, авторы выяснили в том числе и последовательности генов 16S-рРНК различных представителей асгардархей. Эти последовательности используются для скорой идентификации и оценки численности микроорганизмов в пробах из разных окружений. Анализ множества проб показал, что асгардархеи широко разболтаны в самых разных типах осадков в анаэробных условиях. При этом локиархеи являются массовой группой, торархеи и хеймдалльархеи обыкновенно малочисленны, а одинархеи встречаются почти исключительно в термальных водах.

Значительнейшей особенностью всех локиархей является присутствие множества генов, кодирующих белки, какие ранее (до открытия локиархей) считались уникальными для эукариот. Авторы именуют эти белки «eukaryotic signature proteins» (ESP). Необходимо подчеркнуть, что обособленность асгардархей и их ближнее родство с эукариотами были установлены не по генам ESP, а по другим генам, какие есть у всех архей. Поэтому наличие ESP — это отдельное, самостоятельное доказательство близости асгардархей к предкам эукариот.

Деревья, выстроенные для отдельных ESP, показывают, что архейные варианты этих белков вечно ответвляются базальнее эукариотических. Это значит, что наличие ESP у асгардархей невозможно объяснить ни эукариотическим загрязнением (о том же говорит и наличие типичных прокариотических генов в одних контигах с ESP), ни горизонтальным переносом от эукариот. Это подлинно «предковые», прокариотические варианты эукариотических белков.

Распределение значительнейших ESP по геномам разных представителей асгардархей показано на рис. 2. Распределение будет мозаично, но при этом у каждого микроба имеется внушительный комплект ESP, а многие ESP есть у всех или большинства видов асгардархей. Учитывая ограниченность имеющихся геномных этих, а также склонность прокариот к горизонтальному переносу генов, дешифрировать в деталях эволюционную историю ESP пока затруднительно. Эта проблема, скорее итого, разрешится по мере накопления данных по асгардархеям. А пока можно лишь констатировать, что импозантный набор «эукариотических» белков сформировался уже у архейных предков эукариот. Скорее итого, это произошло задолго до приобретения митохондриального симбионта.

Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот

Рис. 2. Эволюционное дерево асгардархей, для каких удалось собрать значительную часть генома, и распределение белков, ранее почитавшихся уникальными для эукариот (ESP). Показаны белки, связанные с обработкой генетической информации (репликация, транскрипция, передача), цитоскелетом, транспортом веществ при помощи мембранных пузырьков, убиквитин-зависимой деградацией белков и гликозилированием белков (какое у эукариот осуществляется на мембранах эндоплазматического ретикулума). Черные кружки — присутствие белка установлено надежно, серые — предположительно, белые — белок не замечен. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

У некоторых асгардархей замечены ESP, отсутствующие в ранее изученных геномах локиархей. Например, у одинархей кушать настоящий тубулин — важнейший компонент эукариотического цитоскелета (немало отдаленные гомологи тубулинов, белки FtsZ, широко разболтаны у прокариот).

Многие ESP асгардархей в эукариотической клетке являются компонентами цитоскелета, участвуют в клеточном делении, транспорте белков при поддержки мембранных пузырьков (см. Везикулярный транспорт), убиквитин-зависимой деградации белков, а также в гликозилировании белков на мембранах эндоплазматического ретикулума (см. Oligosaccharyltransferase) (рис. 3).

Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот

Рис. 3. Схематическое изображение клеточных структур и процессов, в каких задействованы белки, ранее считавшиеся уникальными для эукариот, но сейчас обнаруженные у асгардархей. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Cудя по комплекту генов, клетки асгардархей могут иметь весьма сложную организацию. Они почти наверняка обладают маневренными мембранами; с большой вероятностью у них есть внутриклеточные мембранные структуры, аналогичные эндоплазматическому ретикулуму и аппарату Гольджи. Может быть, у них даже кушать какое-то подобие ядра (ведь ядерная оболочка, как популярно, образует единое целое с эндоплазматическим ретикулумом, а у асгардархей могут присутствовать сложные транспортные системы, способные гарантировать транспорт молекул между протоядром и цитоплазмой). Не исключено также присутствие у асгардархей способности к фагоцитозу. Это могло бы сильно облегчить захват бактериальных симбионтов — предков митохондрий. Присутствие компонентов убиквитин-зависимой системы деградации белков свидетельствует в прок того, что у асгардархей, как и у эукариот, белки подвергаются регулярному ресайклингу: отслужившие молекулы разбираются на запчасти, а вместо них синтезируются новоиспеченные. Это позволяет оперативно регулировать состояние клетки в зависимости от меняющихся условий (у эукариот такая регуляция раскручена гораздо сильнее, чем у типичных прокариот). Наличие везикулярного транспорта и убиквитиновой системы косвенно указывает в пользу того, что клетки асгардархей, возможно, имеют не лишь сложное строение, но и весьма крупные (по прокариотическим меркам) размеры.

Впрочем, необходимо помнить, что функции белков могут меняться в ходе эволюции, и потому не исключена вероятность того, что некоторые ESP у асгардархей отвечают за какие-то другие функции, отличные от тех, что выполняются родственными белками у эукариот. Экспериментальное изучение функций ESP еще спереди.

В обсуждаемой статье ничего не говорится о метаболизме асгардархей, однако иными авторами ранее было показано, что локиархеи и торархеи, вероятно, являются сурово анаэробными автотрофами, которые получают энергию за счет восстановления соединений серы и ацетогенеза (см. Acetogenesis) (R. W. Seitz et al., 2016. Genomic reconstruction of a novel, deeply branched sediment archaeal phylum with pathways for acetogenesis and sulfur reduction) и бедствуют в молекулярном водороде (F. L. Sousa et al., 2016. Lokiarchaeon is hydrogen dependent).

Разумеется, очень хочется узнать, как выглядят асгардархеи, как они делятся, как перекидываются генетическим материалом, подвижны ли они, есть ли у них на самом деле фагоцитоз, эндоплазматический ретикулум и всё прочее. Но для этого нужно научиться культивировать асгардархей в лаборатории. Пока это не сделано, придется довольствоваться геномными этими.

Так или иначе, асгардархеи перекинули надежный мост через «исчезнуть», которая, как многим казалось еще недавно, отделяет сложную эукариотическую клетку от несложный прокариотической. Стало ясно, что значительную часть своей сложной организации деды эукариот приобрели еще на прокариотической стадии — задолго до того, как обзавелись митохондриальным симбионтом.

P.S. Наша гипотеза о генезисе эукариот от полиплоидных архей (см.: Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию генезисы митоза и мейоза, «Элементы», 14.06.2016) предсказывает, что асгардархеи должны быть полиплоидами (может быть, не все, но желая бы некоторые). Это согласуется с косвенными данными, указывающими на крупный размер клеток (см. рослее). Чтобы напрямую определить плоидность микроба, нужно владеть чистую культуру: тогда можно сопоставить число клеток в пробе с содержанием в ней ДНК и, ведая размер генома, вычислить плоидность. Поскольку сделать этого пока невозможно, приходится полагаться на косвенный признак — наличие или отсутствие гистонов. Недавно выяснилось, что все археи, для каких доказана полиплоидность, имеют гистоны, тогда как у моноплоидных архей гистонов нет (S. K. Spaans et al., 2015. The chromosome copy number of the hyperthermophilic archaeon Thermococcus kodakarensis KOD1). В обсуждаемой статье гистоны не упоминаются (ведь они не относятся к ESP), но это не проблема, поскольку геномные последовательности асгардархей выложены в сеть и есть в открытом доступе. Это позволяет любому желающему убедиться в присутствии гистонов у представителей всех четырех типов асгардархей.

Ключ: elementy.ru