• РЕГИСТРАЦИЯ
Коронавирус. Последние новости

Подсчитан вклад архейных и бактериальных генов в эукариотные геномы

4 296

Рис. 1. Разнообразие эукариот, не относящихся ни к животным, ни к высшим растениям

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

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

https://elementy.ru/novosti_na...

Всё, о чём не расскажет РЕН-ТВ

    Трамп предан. Что дальше?

    Вы не поверите, но некоторые люди до сих пор рассматривают события в США как «народ вышел на протест». Как и «революцию роз» в Грузии, и Болотную в России, и провалившуюся &laq...

    Покаяние

    События в США должны заставить всех украинцев пересмотреть отношение к нашим меньшим братьям. Каленым железом следует выжигать малейшие проявления расизма, половой дискриминации и нетер...

    Китай готовит убийцу для биткойна и проблему для доллара

    Американские аналитики внезапно осознали, что Китай готовит технологию, которая станет убийцей для биткойна и угрозой для американского доллара. И если по поводу конкуренции для основной...

    Ваш комментарий сохранен и будет опубликован сразу после вашей авторизации.

    0 новых комментариев

      Drozd Вчера 09:32

      Найдена причина появления загадочного кратера в Сибири

      Почти три года назад на полуострове Ямал в России в долине реки Еркута был обнаружен кратер диаметром 17,5 метра. Находка привлекла внимание ученых со всего мира. Наряду с научными объяснениями феномена в прессе появились и фантастические гипотезы, например, связанные с деятельностью инопланетян. Ученые длительное время изучали место образования кратера, и в...
      4410
      Drozd Вчера 08:05

      Палеонтологи нашли в яйцах титанозавра аминокислоты вместо пептидов

      Ученые из Европы и США определили, какие аминокислоты содержатся в скорлупе яиц титанозавра возрастом около 80 миллионов лет. Набор и состояние молекул говорят о том, что за такой срок все пептиды (цепочки из аминокислот), которые теоретически могли остаться в скорлупе, должны были деградировать. В пользу той ...
      414
      Drozd 2 июня 16:38

      У мышей обнаружили нейронный путь развития депрессии от ночного освещения

      Связь перигабенулярных ядер таламуса со структурами мозга. Фиолетовые нейроны осуществляют связь с прилежащим ядром, голубые - с префронтальной корой. Kai An et al. / Nature Neuroscience, 2020 Ученые обнаружили подкорковый нейронный путь, отвечающий за развитие депрессивного поведения у мышей при долгом воздействии ночного освещения. Путь начинаетс...
      171
      Drozd 2 июня 13:57

      От весенних пожаров в России пострадало 13,5 млн га. Это больше, чем площадь Греции

      От весенних пожаров в России пострадало 13,5 млн га. Это больше, чем площадь Греции. В Greenpeace составили антирейтинг российских регионов, где ситуация с распространением огня складывается особенно катастрофично.   Антирейтинг возглавила Еврейская автономная область — там выгорело более 20% земель, следом идут Новосибирская и Омская об...
      175
      Drozd 2 июня 11:32

      Сотрудникам Facebook стыдно работать в Facebook

      Прочитал сейчас о том, что директор по дизайну экрана для звонков, директор по дизайну ленты новостей Facebook и другие сотрудники высказались о том, что "Стыдно здесь работать". Мне сначала показалось, что им стыдно за дизайн ленты новостей или за дизайн экрана, но к сожалению нет. Оказывается им стыдно за то, что... ...Марк Цукерберг отказался уд...
      1213
      Drozd 2 июня 08:17

      Холод оказался для растений в семь раз благоприятнее тепла

        Марина Попова   Растительный покров Земли может быть адаптирован к возможному похолоданию приблизительно в семь раз лучше, чем к быстрому потеплению, которое угрожает сейчас биосфере. К таким выводам пришли ученые, изучив данные о термотолератности более 1000 растительных видов различных широт. Согласно результатам сам...
      397
      Drozd 1 июня 14:47

      В Неваде нашли останки беременного динозавра, жившего 246 млн лет назад

      В Неваде нашли останки беременного динозавра, жившего 246 млн лет назад. Находка, сделанная в горах Августы группой ученых во главе с Мартином Сандером, описана в Phys.org.   Останки были обнаружены в северной Неваде, в 241 км к востоку от города Рено. Они располагались на склоне одной из гор Августы на высоте около 1,82 тыс. м. Исследовате...
      594
      Drozd 1 июня 12:24

      Ну что началось то?

      Когда несколько дней назад писал пост про американцев и англичан (Откуда пошла "эпидемия" боязни 5G?), даже не думал, что все это так быстро перекинется на нас. Почему 5G стал вреден в массовом сознании – кто стоит за этим? На геополитическом уровне Америка и корпорации из США не просто отстали в гонке 5G, их отставание составляет 5-8 лет от ...
      641
      Drozd 29 мая 21:30

      Карты Google проанализировали жесткость карантина в странах мира

      Карты Google проанализировали жесткость карантина в разных странах мира. В будущем исследователи смогут сопоставить эти данные и распространение коронавируса. Информации о России в выборке компании нет. Компания выпустила данные о перемещениях людей, которые они собрали с миллионов мобильных устройств, использующих их программное обеспечение (Android,...
      593
      Drozd 29 мая 20:23

      Биологи из России обнаружили у пресноводных рыб феномен отчаяния

      Биологи из Уральского федерального университета (УрФУ) обнаружили у пресноводных рыбок феномен отчаяния. В будущем это позволит быстрее отобрать лекарства против депрессии у людей, утверждает РИА «Новости».   Ученые проводили исследования на пресноводных рыбках зебраданио, которые, наряду с червем-нематодой, мухой дрозофилой, мышью...
      492
      Drozd 29 мая 20:06

      РНК-вакцину от коронавируса протестировали на мышах и обезьянах в США

      Группа американских ученых под руководством биологов из Университета Вашингтона успешно протестировала «саморазмножающуюся» РНК-вакцину от коронавирусной инфекции на организмах мышах и обезьян. Об этом пишет ТАСС.   За последние месяцы ученые из множества стран пытаются создать вакцину от коронавируса нового типа, который инфициров...
      174
      Drozd 29 мая 19:59

      Посмотрите на снимки самого глубоководного осьминога в истории наблюдений. Он живет на глубине в 7 тыс. метров!

      На дне Индийского океана обнаружили и сфотографировали глубоководного осьминога, который живет на глубине более 7 тыс. метров в районе впадины Ява. Это самый глубоководный осьминог в истории наблюдений, ранее ученые считали, что эти существа не могут жить на глубине более 5 км. Историю открытия рассказывает B-B-C.   Ученым из команды экспедици...
      2495
      Drozd 29 мая 19:43

      Все массовые вымирания в истории Земли связали с глобальным потеплением

      Второй всплеск ордовикско-силурийского вымирания произошел по причине глобального потепления: вулканическая активность привела к повышению температуры океана, его закислению и аноксии — снижению содержания растворенного кислорода. К таким выводам пришли ученые, изучив отложения в стратотипическом разрезе Добс-Линн. Согласно их&n...
      323
      Drozd 29 мая 19:35

      У стеклянных лягушек описали новый тип камуфляжа

      Стеклянная лягушка (Hyalinobatrachium sp.) Edwin Bellota / Flickr У тропических стеклянных лягушек обнаружили совершенно новый тип камуфляжа, который получил название краевой диффузии. Эти амфибии полупрозрачны, что позволяет им автоматически подстраивать свою яркость под фон. При этом более прозрачные лапы размывают края тела лягушек и позволяют им еще...
      192
      Drozd 29 мая 15:31

      Арктические ледяные щиты способны таять со скоростью 50 см в день

      Арктические ледяные щиты способны таять со скоростью 50 см в день — такая динамика наблюдалась в конце последнего ледникового периода. Это намного быстрее, чем сегодня — но не означает, что скорость таяние в ближайшее время не вырастет. Об этом говорится в исследовании ученых из Кембриджского университета, опубликованном в журнале Science . ...
      321
      Drozd 29 мая 15:29

      Изменения климата сделают деревья меньше и заставит умирать молодыми

      Изменения климата сделают деревья меньше и заставит умирать молодыми. К такому выводу пришли ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, работа которых опубликована в журнале Science.   Известно, что несколько факторов, прямо или косвенно связанных с деятельностью человека, привели к значительному сокращению площади лесов по всему ...
      397
      Drozd 29 мая 15:21

      Мальчики надеялись получить суперсилу от укусов черной вдовы и попали в больницу

      Превращение в человека-паука (точнее, сразу троих людей-пауков) пошло не по плану. Чёрные вдовы (Latrodectus) — род пауков из семейства тенётников (Theridiidae). Так называют и самок, и самцов, принадлежащих роду. Чёрных вдов легко узнать благодаря ярко-красной отметине у них на брюшке, чаще всего в форме песочных часов. У них чрезвычайно прочна...
      1204
      Drozd 28 мая 14:45

      В окрестностях Мехико нашли останки 60 мамонтов возрастом более 15 тыс. лет. Они вязли в болотах!

      В окрестностях Мехико обнаружили останки 60 мамонтов возрастом более 15 тыс. лет. Об этом говорится на сайте Национального института антропологии и истории Мексики.   Команда археологов под руководством Педро Франсиско Санчеса Навы обнаружила на территории старой военной базы к северу от Мехико останки 60 мамонтов Колумба, которые дожили до по...
      873
      Drozd 28 мая 14:38

      Морские организмы сместили ареалы к полюсам в шесть раз быстрее наземных

        Jonathan Lenoir et al. / Nature Ecology and Evolution, 2020 В ответ на глобальное потепление морские организмы мигрируют к полюсам в шесть раз быстрее, чем наземные. К такому выводу пришли исследователи в результате анализа данных о двенадцати тысячах видах бактерий, грибов, растений и животных. Их статья опубликована в журнале&nbs...
      439
      Drozd 28 мая 13:59

      Изменение климата сократило ареал летнего размножения мигрирующих видов птиц

      Численность популяции неотропических видов в Северной Америке, включая индиговых овсянковых кардиналов (Passerina cyanea), заметно сократилась в последние годы Clark Rushing Изменение климата сдвигает зоны летнего размножения североамериканских птиц, сообщается в исследовании в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. В то...
      164
      Служба поддержи

      Яндекс.Метрика