Život vznikol v archeánskej ére. Keďže prvé živé organizmy ešte nemali žiadne kostrové útvary, nezostali po nich takmer žiadne stopy. Prítomnosť hornín organického pôvodu - vápenca, mramoru, grafitu a ďalších - medzi archejskými ložiskami - naznačuje existenciu primitívnych živých organizmov v tejto dobe. Boli to jednobunkové predjadrové organizmy (prokaryoty): baktérie a modrozelené riasy.

Život vo vode bol možný vďaka tomu, že voda chránila organizmy pred škodlivými účinkami ultrafialových lúčov. Práve preto by sa more mohlo stať kolískou života.

4 hlavné udalosti archejskej éry

V archeánskej ére sa vo vývoji organického sveta a vývoji života vyskytli štyri hlavné udalosti (aromorfóza):

• Objavili sa eukaryoty;
• fotosyntéza;
• sexuálny proces;
• mnohobunkovosť.

Vznik eukaryotov je spojený s tvorbou buniek, ktoré majú skutočné jadro (obsahujúce chromozómy) a mitochondrie. Len takéto bunky sú schopné mitotického delenia, čo zabezpečilo dobré uchovanie a prenos genetického materiálu. To bolo predpokladom pre vznik sexuálneho procesu.

Prví obyvatelia našej planéty boli heterotrofní a živili sa organickými látkami abiogénneho pôvodu, rozpustenými v pôvodnom oceáne. Postupný vývoj primárnych živých organizmov následne zabezpečil obrovský skok (aromorfózu) vo vývoji života: vznik autotrofov, ktoré využívajú slnečnú energiu na syntézu organických zlúčenín z najjednoduchších anorganických.

Samozrejme, taká komplexná zlúčenina ako chlorofyl sa neobjavila okamžite. Spočiatku sa objavovali jednoduchšie usporiadané pigmenty, ktoré prispievali k asimilácii organických látok. Z týchto pigmentov sa zrejme vyvinul chlorofyl.

Časom organická hmota nahromadená v ňom abiogénne začala v praoceáne vysychať. Vznik autotrofných organizmov, predovšetkým zelených rastlín schopných fotosyntézy, zabezpečil vďaka využívaniu slnečnej energie (kozmická úloha rastlín) ďalšiu nepretržitú syntézu organických látok a následne existenciu a ďalší rozvoj života.

S príchodom fotosyntézy sa organický svet rozdelil na dva kmene, líšiace sa spôsobom výživy. Vďaka vzniku autotrofných fotosyntetických rastlín sa voda a atmosféra začali obohacovať o voľný kyslík. To predurčilo možnosť vzniku aeróbnych organizmov schopných efektívnejšieho využívania energie v procese života.

Hromadenie kyslíka v atmosfére viedlo k vytvoreniu ozónovej clony v jej horných vrstvách, ktorá neprepúšťa škodlivé ultrafialové lúče. Tým sa otvorila cesta k tomu, aby život pristál na súši. Objavenie sa fotosyntetických rastlín umožnilo existenciu a progresívny vývoj heterotrofných organizmov.

Vzhľad pohlavného procesu viedol k vzniku kombinovanej variability podporovanej selekciou. Napokon, mnohobunkové organizmy sa v tejto ére zjavne vyvinuli z koloniálnych bičíkovcov. Objavenie sa pohlavného procesu a mnohobunkovosť pripravili ďalšiu progresívnu evolúciu.

Podľa moderných predstáv boli prvými živými tvormi Zeme jednobunkové prokaryotické organizmy, ku ktorým sú archebaktérie najbližšie zo súčasných živých bytostí. Predpokladá sa, že spočiatku v atmosfére a vo svetovom oceáne nebol voľný kyslík a za týchto podmienok žili a vyvíjali sa iba anaeróbne heterotrofné mikroorganizmy, ktoré spotrebovávali hotové organické látky abiogénneho pôvodu. Postupne sa zásoby organických látok vyčerpali a za týchto podmienok bol dôležitým krokom vo vývoji života vznik chemo- a fotosyntetických baktérií, ktoré pomocou energie svetla a anorganických zlúčenín premieňali oxid uhličitý na zlúčeniny sacharidov, ktoré slúži ako potrava pre iné mikroorganizmy. Prvými autotrofmi boli pravdepodobne tiež anaeróby. Revolúcia v historickom vývoji biosféry nastala s príchodom kyanidov, ktoré začali vykonávať fotosyntézu s uvoľňovaním kyslíka. Akumulácia voľného kyslíka spôsobila na jednej strane masovú smrť primitívnych anaeróbnych prokaryotov, na druhej strane však vytvorila podmienky pre ďalší progresívny vývoj života, pretože aeróbne organizmy sú schopné oveľa intenzívnejšieho metabolizmu v porovnaní s k anaeróbnym.

Vznik eukaryotickej bunky je druhou najdôležitejšou (po vzniku samotného života) udalosťou biologickej evolúcie. Vďaka dokonalejšiemu systému regulácie genómu eukaryotických organizmov sa prudko zvýšila adaptabilita jednobunkových organizmov, ich schopnosť prispôsobiť sa meniacim sa podmienkam bez vnášania dedičných zmien do genómu. Vďaka schopnosti prispôsobiť sa, to znamená meniť sa v závislosti od vonkajších podmienok, sa eukaryoty mohli stať mnohobunkovými: koniec koncov, v mnohobunkovom organizme bunky s rovnakým genómom v závislosti od podmienok tvoria úplne odlišné tkanivá. v morfológii aj vo funkcii.

Evolúcia eukaryotov viedla k vzniku mnohobunkovosti a sexuálnej reprodukcie, čo zase urýchlilo tempo evolúcie.

Problém rozšírenosti života vo vesmíre

Otázku rozšírenosti života vo vesmíre moderná veda nevyriešila. Za predpokladu, že za podmienok podobných tým, aké existovali na mladej Zemi, je vývoj živých vecí celkom pravdepodobný, možno dospieť k záveru, že v nekonečnom vesmíre sa musia vyskytovať formy života podobné tým pozemským. Tento principiálny postoj zastáva mnoho vedcov. Takto sa preberá myšlienka Giordana Bruna o pluralite obývaných svetov.

Po prvé, v metagalaxii je obrovské množstvo hviezd podobných nášmu Slnku, takže planetárne systémy môžu existovať nielen v blízkosti Slnka. Štúdie navyše ukázali, že niektoré hviezdy určitých spektrálnych tried sa otáčajú pomaly okolo svojej osi, čo môže byť spôsobené prítomnosťou planetárnych systémov okolo týchto hviezd. Po druhé, molekulárne zlúčeniny potrebné pre počiatočnú fázu vývoja neživej prírody sú vo vesmíre celkom bežné a boli objavené dokonca aj v medzihviezdnom prostredí. Za vhodných podmienok mohol vzniknúť život aj na planétach okolo iných hviezd, podobne ako pri evolučnom vývoji života na Zemi. Po tretie, nemožno vylúčiť možnosť existencie neproteínových foriem života, ktoré sú zásadne odlišné od tých, ktoré sú bežné na Zemi.

Na druhej strane sa mnohí vedci domnievajú, že aj primitívny život je tak štrukturálne a funkčne zložitý systém, že aj keď sú na akejkoľvek planéte všetky podmienky potrebné na jeho vznik, pravdepodobnosť jeho samovoľného vzniku je extrémne nízka. Ak sú tieto úvahy správne, potom by mal byť život extrémne vzácny a v rámci pozorovateľného vesmíru možno aj jedinečný jav.

Na základe astronomických údajov môžeme jednoznačne konštatovať, že v Slnečnej sústave a ďalších nám najbližších hviezdnych sústavách nie sú podmienky na vznik civilizácií. Existencia primitívnych foriem života však nie je vylúčená. Takže skupina amerických vedcov na základe analýzy štruktúry takzvaného „marťanského meteoritu“ verí, že objavili dôkazy o primitívnom jednobunkovom živote, ktorý existoval na Marse v dávnej minulosti. Vzhľadom na nedostatok takéhoto materiálu v súčasnosti nie je možné vyvodiť jednoznačné závery o tejto otázke. Snáď v tom pomôžu budúce marťanské expedície.

Závery z analýzy proteínových homológií v troch superkráľovstvách živej prírody

Distribúcia proteínových domén zahrnutých v 15. verzii databázy Pfam (august 2004) bola analyzovaná v troch superkráľovstvách: Archaea, Baktérie a Eykaryota. Zdá sa, že z celkového počtu eukaryotických proteínových domén bola takmer polovica zdedená od prokaryotických predkov. Z archaea zdedili eukaryoty najdôležitejšie domény spojené s informačnými procesmi nukleocytoplazmy (replikácia, transkripcia, translácia). Baktérie zdedili významnú časť domén spojených so základným metabolizmom a signálno-regulačnými systémami. Zdá sa, že mnohé signálno-regulačné domény spoločné pre baktérie a eukaryoty vykonávali v prvom prípade synekologické funkcie (zabezpečujúce interakciu bunky s ostatnými zložkami prokaryotickej komunity), zatiaľ čo v druhom sa začali využívať na zabezpečenie koordinovanej práce bunky. organely a jednotlivé bunky mnohobunkového organizmu. Mnohé eukaryotické domény bakteriálneho pôvodu (vrátane „synekologických“) nemohli byť zdedené od predkov mitochondrií a plastidov, ale boli požičané od iných baktérií. Bol navrhnutý model tvorby eukaryotickej bunky prostredníctvom série po sebe nasledujúcich symbiogenetických aktov. Podľa tohto modelu bola predchodcom jadrovo-cytoplazmatickej zložky eukaryotickej bunky Archaea, v ktorej v podmienkach krízy spôsobenej zvýšením koncentrácie voľného kyslíka v prokaryotickom spoločenstve prebieha proces inkorporácie cudzorodej genetickej materiál z vonkajšieho prostredia sa prudko aktivoval.

Symbiogenetická teória pôvodu eukaryotov je dnes už prakticky všeobecne uznávaná. Celý súbor molekulárno-genetických, cytologických a iných údajov naznačuje, že eukaryotická bunka vznikla zlúčením niekoľkých prokaryotov do jedného organizmu. Vzniku eukaryotickej bunky malo predchádzať viac-menej dlhé obdobie koevolúcie jej budúcich zložiek v jednom mikrobiálnom spoločenstve, počas ktorého sa medzi druhmi vytvoril zložitý systém vzťahov a väzieb, nevyhnutný na koordináciu rôznych aspektov ich životná aktivita. Molekulárne mechanizmy vyvinuté počas tvorby týchto synekologických väzieb by mohli hrať dôležitú úlohu v následnom procese asociácie niekoľkých prokaryotov do jednej bunky. Vznik eukaryotov („eukaryotická integrácia“) by sa mal považovať za konečný výsledok dlhého vývoja integračných procesov v prokaryotickej komunite (Markov, v tlači). Špecifické mechanizmy eukaryotickej integrácie, jej detaily a sled udalostí, ako aj podmienky, za ktorých by mohla prebiehať, zostávajú do značnej miery nejasné.

Všeobecne sa uznáva, že na tvorbe eukaryotickej bunky sa podieľali najmenej tri prokaryotické zložky: „jadrovo-cytoplazmatická“, „mitochondriálna“ a „plastidová“.

Nukleárna cytoplazmatická zložka (NCC)

Najťažšou úlohou je identifikácia jadrovo-cytoplazmatickej zložky. Vedúcu úlohu pri jeho vzniku zrejme zohrali archaea (Archaea). Dôkazom toho je prítomnosť typických archaálnych znakov v najdôležitejších štruktúrnych a funkčných systémoch jadra a cytoplazmy eukaryotov. Podobnosti možno vysledovať v organizácii genómu (intróny), v základných mechanizmoch replikácie, transkripcie a translácie a v štruktúre ribozómov (Margulis a Bermudes, 1985; Slesarev a kol., 1998; Ng a kol. , 2000; Cavalier-Smith, 2002). Bolo zaznamenané, že molekulárne systémy eukaryotickej nukleocytoplazmy spojené so spracovaním genetickej informácie sú prevažne archaálneho pôvodu (Gupta, 1998). Nie je však jasné, z ktorých archebaktérií vznikol NCC, akú ekologickú niku obsadili v „spoločenstve predkov“, ako a prečo získali mitochondriálneho endosymbionta.

V štruktúre nukleocytoplazmy eukaryotov sa okrem archaálnych a špecificky eukaryotických znakov vyskytujú aj bakteriálne. Na vysvetlenie tejto skutočnosti bolo navrhnutých niekoľko hypotéz. Niektorí autori sa domnievajú, že tieto vlastnosti sú výsledkom získania bakteriálnych endosymbiontov (mitochondrií a plastidov), z ktorých mnohé gény sa presunuli do jadra a proteíny začali vykonávať rôzne funkcie v jadre a cytoplazme (Gabaldon a Huynen, 2003 ). Získanie mitochondrií sa často považuje za kľúčový moment pri tvorbe eukaryotov, ktorý predchádza tvorbe jadra alebo prebieha súčasne s ním. Tento názor podporujú molekulárne údaje naznačujúce monofyletický pôvod mitochondrií všetkých eukaryotov (Dyall a Johnson, 2000; Litoshenko, 2002). Súčasne žijúce nemitochondriálne eukaryoty sú interpretované ako potomkovia foriem, ktoré mali mitochondrie, pretože ich jadrové genómy obsahujú gény pravdepodobne mitochondriálneho pôvodu (Vellai a kol., 1998; Vellai a Vida, 1999; Gray a kol., 1999).

Alternatívnym uhlom pohľadu je, že NCC bol chimérický organizmus archaeo-bakteriálnej povahy ešte pred získaním mitochondrií. Podľa jednej hypotézy NCC vznikol ako výsledok jedinečnej evolučnej udalosti - fúzie archaea s proteobaktériou (pravdepodobne fotosyntetickou, blízkou Chlorobiu). Výsledný symbiotický komplex získal odolnosť voči prírodným antibiotikám od archaea a aerotoleranciu od proteobaktérií. Bunkové jadro sa v tomto chimérickom organizme vytvorilo ešte pred začlenením mitochondriálneho symbionta (Gupta, 1998). Ďalšiu verziu „chimérickej“ teórie navrhol V. V. Emelyanov (Emelyanov, 2003), podľa ktorej hostiteľskou bunkou, ktorá prijala mitochondriálneho endosymbionta, bol prokaryotický bezjadrový organizmus vytvorený fúziou archaebaktérie s fermentujúcou eubaktériou. a základný energetický metabolizmus tohto organizmu mal eubakteriálny charakter (glykolýza, fermentácia). Podľa tretej verzie „chimérickej“ teórie sa jadro objavilo súčasne s unulipodiou (eukaryotické bičíky) v dôsledku symbiózy archaea so spirochétou a táto udalosť nastala pred získaním mitochondriálnych symbiontov. Mitochondriálne prvoky nemusia nevyhnutne pochádzať z predkov, ktorí mali mitochondrie, a bakteriálne gény v ich genóme sa mohli objaviť ako výsledok symbiózy s inými baktériami (Margulis a kol., 2000; Dolan a kol., 2002). Existujú aj iné variácie „chimérickej“ teórie (Lupez-Garcia, Moreira, 1999).

Napokon, prítomnosť mnohých jedinečných znakov v nukleocytoplazme eukaryotov, ktoré nie sú charakteristické ani pre baktérie, ani pre archaea, vytvorila základ ďalšej hypotézy, podľa ktorej predchodca NCC patril medzi „chronocyty“ – hypotetickú vyhynutú skupinu prokaryotov, rovnako vzdialené od baktérií aj archaea (Hartman a Fedorov, 2002).

Mitochondriálna zložka

Omnoho jasnejšie je povaha mitochondriálnej zložky eukaryotickej bunky. Jeho predkom boli podľa väčšiny autorov alfaproteobaktérie (medzi ktoré patria najmä fialové baktérie, ktoré uskutočňujú bezkyslíkatú fotosyntézu a oxidujú sírovodík na síran). Nedávno sa teda ukázalo, že mitochondriálny genóm kvasiniek je najbližšie k genómu fialovej nesírovej alfaproteobaktérie. Rhodospirillum rubrum(Esser a kol., 2004). Elektrónový transportný reťazec, pôvodne vytvorený v týchto baktériách ako súčasť fotosyntetického aparátu, sa následne začal využívať na dýchanie kyslíka.

Na základe komparatívnej proteomiky bola nedávno zostavená rekonštrukcia metabolizmu „protomitochondrií“ – hypotetickej alfaproteobaktérie, z ktorej vznikli mitochondrie všetkých eukaryotov. Podľa týchto údajov bol predchodcom mitochondrií aeróbny heterotrof, ktorý prijímal energiu z oxidácie organickej hmoty kyslíkom a mal plne vytvorený elektrónový transportný reťazec, ale potreboval prísun mnohých dôležitých metabolitov (lipidov, aminokyselín, glycerolov) zvonku. . Svedčí o tom okrem iného aj prítomnosť veľkého množstva molekulárnych systémov v rekonštruovaných „protomitochondriách“, ktoré slúžia na transport týchto látok cez membránu (Gabaldun a Huynen, 2003). Hlavným stimulom pre asociáciu NCC s protomitochondriami bola podľa väčšiny hypotéz potreba anaeróbneho NCC chrániť sa pred toxickými účinkami molekulárneho kyslíka. Získanie symbiontov využívajúcich tento jedovatý plyn umožnilo úspešne vyriešiť tento problém (Kurland a Andersson, 2000).

Existuje ďalšia hypotéza, podľa ktorej bola protomitochondria fakultatívnym anaeróbom schopným dýchania kyslíka, no zároveň produkujúcim molekulárny vodík ako vedľajší produkt fermentácie (Martin a Muller, 1998). Hostiteľskou bunkou v tomto prípade mala byť metanogénna chemoautotrofná anaeróbna archaea, ktorá potrebuje vodík na syntézu metánu z oxidu uhličitého. Hypotéza je založená na existencii takzvaných hydrogenozómov – organel, ktoré produkujú molekulárny vodík, v niektorých jednobunkových eukaryotoch. Hoci hydrogenozómy nemajú vlastný genóm, niektoré ich vlastnosti naznačujú vzťah s mitochondriami (Dyall a Johnson, 2000). Úzke symbiotické asociácie medzi metanogénnymi archaeami a proteobaktériami produkujúcimi vodík sú v modernej biote celkom bežné a zjavne boli bežné aj v minulosti, takže ak by bola hypotéza o „vodíku“ správna, dalo by sa očakávať, že eukaryoty majú viacnásobný polyfyletický pôvod. Molekulárne dôkazy však naznačujú, že sú monofilné (Gupta, 1998). „Vodíkovej“ hypotéze odporuje aj skutočnosť, že špecifické proteínové domény archaea spojené s metanogenézou nemajú v eukaryotoch homológy. Väčšina autorov považuje „vodíkovú“ hypotézu o pôvode mitochondrií za neudržateľnú. Hydrogenozómy sú s najväčšou pravdepodobnosťou poslednou modifikáciou obyčajných mitochondrií, ktoré vykonávajú aeróbne dýchanie (Gupta, 1998; Kurland a Andersson, 2000; Dolan et al., 2002).

plastidová zložka

Predkovia plastidov boli sinice. Podľa najnovších údajov sú plastidy všetkých rias a vyšších rastlín monofyletického pôvodu a vznikli ako výsledok symbiózy sinice s eukaryotickou bunkou, ktorá už mala mitochondrie (Martin a Russel, 2003). Stalo sa to pravdepodobne pred 1,5 až 1,2 miliardami rokov. V tomto prípade sa použili mnohé z tých integračných molekulárnych systémov (signalizácia, transport atď.), ktoré už boli vytvorené v eukaryotoch, aby sa zabezpečila interakcia medzi jadrovo-cytoplazmatickými a mitochondriálnymi zložkami (Dyall et al., 2004). Je zvláštne, že niektoré enzýmy Calvinovho cyklu (kľúčová metabolická dráha fotosyntézy) fungujúce v plastidoch sú skôr proteobakteriálneho než cyanobakteriálneho pôvodu (Martin a Schnarrenberger, 1997). Zdá sa, že gény pre tieto enzýmy pochádzajú z mitochondriálnej zložky, ktorej predkovia boli tiež kedysi fotosyntetickí (fialové baktérie).

Možnosti komparatívnej genomiky a proteomiky pri štúdiu pôvodu eukaryot

Porovnávacia analýza genomických a proteomických údajov otvára veľké možnosti na rekonštrukciu procesov „eukaryotickej integrácie“.

V súčasnosti sa zozbieralo množstvo a do značnej miery systematizované údaje o proteínových a nukleotidových sekvenciách mnohých organizmov, vrátane zástupcov všetkých troch superkráľovstiev: Archaea, Baktérie a Eukaryota, ktoré sú verejne dostupné (na internete). Základy ako COG
(Fylogenetická klasifikácia proteínov kódovaných v kompletných genómoch; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG/), SMART (Simple Modular Architecture Research Tool; http://smart.embl-heidelberg.de/) , Pfam (rodiny proteínových domén na základe zarovnania semien; http://pfam.wustl.edu/index.html) , NCBI-CDD (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/cdd.shtml) a ďalšie poskytujú množstvo nástrojov na vyhľadávanie a porovnávanie fulltextových proteínových sekvencií a ich kódujúcich génov. Porovnania sekvencií sa uskutočňujú u zástupcov toho istého druhu a medzi rôznymi taxónmi.

Zdá sa, že pomocou týchto údajov a analytických nástrojov je možné zhromaždiť a systematizovať pomerne rozsiahly materiál, ktorý umožní zistiť, ktoré štrukturálne a funkčné subsystémy eukaryotickej bunky boli zdedené z Archaea, ktoré z baktérií a ktoré sa objavili neskôr a sú jedinečné. do Eukaryoty. V rámci takejto analýzy je tiež možné získať nové údaje o špecifických skupinách baktérií a archeí, ktoré by sa s najväčšou pravdepodobnosťou mohli podieľať na tvorbe primárnej eukaryotickej bunky.

Pomer bežných a jedinečných proteínových domén v archeách, baktériách a eukaryotoch

Tento článok prezentuje výsledky analýzy funkčných spektier a taxonomického ohraničenia proteínových domén zahrnutých v 15. verzii systému Pfam (verzia bola zverejnená na internete 20. augusta 2004). Tento systém, ktorý je najkompletnejším systematizovaným katalógom svojho druhu, v súčasnosti zahŕňa 7503 proteínových domén.

Pojem „proteínová doména“ úzko súvisí s v súčasnosti aktívne rozvíjanou prirodzenou klasifikáciou proteínov. Doména je viac-menej konzervatívna sekvencia aminokyselín (alebo takzvaný "motív" - sekvencia, ktorá zahŕňa striedanie konzervatívnych a variabilných fragmentov) prítomných v niekoľkých (zvyčajne mnohých) proteínových molekulách v rôznych organizmoch. Väčšina domén zahrnutých v systéme Pfam sa vyznačuje striktne definovanou funkciou, a teda predstavujú funkčné bloky proteínových molekúl (napríklad domény viažuce DNA alebo katalytické domény enzýmov). Funkcia niektorých domén je stále neznáma, ale konzervativizmus a distribučný vzor týchto sekvencií naznačuje, že majú tiež funkčnú jednotu. Predpokladá sa, že veľká väčšina domén sú homológne sekvencie (t. j. majú jeden pôvod a nevznikajú paralelne v rôznych vetvách evolučného stromu). Svedčí o tom značná dĺžka týchto sekvencií, ako aj skutočnosť, že takmer akúkoľvek funkciu (katalytickú, signalizačnú, štrukturálnu atď.) možno realizovať mnohými rôznymi kombináciami aminokyselín, preto v prípade paralelného vzhľadu funkčne podobných blokov v molekulách proteínov v rôznych organizmoch je fakt nezávislý pôvod zvyčajne celkom zrejmý.

Proteíny sú kombinované do rodín na základe prítomnosti spoločných domén v nich; preto sa koncepty „proteínovej rodiny“ a „domény“ v systéme Pfam do značnej miery zhodujú.

Na základe údajov zo systému Pfam sa určilo kvantitatívne rozdelenie domén v troch kráľovstvách voľne žijúcich živočíchov (Archaea, Bacteria, Eukaryota):

Ryža. 1. Kvantitatívny pomer bežných a jedinečných proteínových domén v archeách, baktériách a eukaryotoch. Plochy obrázkov sú približne úmerné počtu domén.

Celkovo je v 15. verzii Pfam 4474 eukaryotických domén, ktoré možno rozdeliť do 4 skupín:

1) Špecifické eukaryotické domény, ktoré sa nenachádzajú v ďalších dvoch superkráľovstvách (2372);

2) Domény prítomné v predstaviteľoch všetkých troch kráľovstiev (1157);

3) Domény spoločné pre eukaryoty a baktérie, ale chýbajú v archaea (831);

4) Domény spoločné pre eukaryoty a archaea, ale chýbajú v baktériách (114).

Najväčšia pozornosť sa v následnej diskusii venuje doménam tretej a štvrtej skupiny, keďže ich taxonomické ohraničenie umožňuje s istou mierou pravdepodobnosti hovoriť o ich pôvode. Zdá sa, že významnú časť domén tretej skupiny zdedili eukaryoty z baktérií, štvrtá - z archaea.

V niektorých prípadoch môže byť zhoda domén v rôznych superkráľovstvách spojená s neskorším horizontálnym prevodom, ale potom sa v „prijímajúcom“ superkráľovstve s najväčšou pravdepodobnosťou táto doména bude nachádzať iba u jedného alebo niekoľkých zástupcov. Takéto prípady existujú. V porovnaní s predchádzajúcou verziou 14 Pfam sa v novej verzii 15 niekoľko čisto bakteriálnych domén presunulo do tretej skupiny z dôvodu, že zodpovedajúce sekvencie sa našli v nedávno „dekódovaných“ genómoch jednotlivých eukaryotov (najmä komár Anopheles gambiae a najjednoduchšie Plasmodium yoelii). Prítomnosť génov kódujúcich bakteriálne bičíkové proteíny v genóme malarického komára (napriek skutočnosti, že tieto sekvencie neboli nájdené v žiadnych iných eukaryotoch) prirodzene naznačuje horizontálny prenos. Takéto domény neboli v ďalšej diskusii zohľadnené (v tretej skupine je ich asi 40 a vo štvrtej skupine chýbajú).

Kvantitatívny pomer spoločných a jedinečných domén v troch superkráľovstvách, zdá sa, naznačuje rozhodujúcu prevahu „bakteriálnej“ zložky v eukaryotickej bunke v porovnaní s „archaálnou“ (eukaryoty majú 831 „bakteriálnych“ domén a 114 „archaálnych“ "domény). Podobné výsledky boli nedávno získané v rámci porovnávacej analýzy genómov kvasiniek a rôznych prokaryotov: ukázalo sa, že 75 % z celkového počtu génov jadrových kvasiniek s prokaryotickými homológmi je viac podobných bakteriálnym ako archaálnym sekvenciám (Esser a kol., 2004). Tento záver sa však stane menej zrejmým, ak sa uvedené čísla porovnajú s celkovým počtom spoločných a jedinečných domén v dvoch prokaryotických superkráľovstvách. Z celkového počtu bakteriálnych domén, ktoré sa nenašli v archaea (2558), bolo teda 831 prenesených do eukaryotických buniek, čo je 32,5 %. Z celkového počtu archaických domén, ktoré sa nenašli v baktériách (224), sa 114, teda 48,7 %, našlo v eukaryotických bunkách. Ak si teda predstavíme vznikajúcu eukaryotickú bunku ako systém schopný slobodne si vybrať jeden alebo druhý proteínový blok z dostupného súboru, potom treba uznať, že preferoval archaálne domény.

Významná úloha archaálnej zložky pri tvorbe eukaryot sa ešte viac ukáže, ak porovnáme „funkčné spektrá“ (distribúcia podľa funkčných skupín) a fyziologický význam eukaryotických domén „archaálneho“ a „bakteriálneho“ pôvodu.

Funkčné spektrum eukaryotických domén „archaálneho“ pôvodu

Prvá vec, ktorá vás upúta pri pohľade na popisy domén tejto skupiny, je vysoký výskyt slov a slovných spojení ako „esenciálny“ (kľúčový, životne dôležitý) a „hrá kľúčovú rolu“ (hrá kľúčovú rolu). V anotáciách domén z iných skupín sú takéto označenia rádovo menej bežné.

Tejto skupine dominujú domény spojené s najzákladnejšími centrálnymi procesmi bunkového života, konkrétne s procesmi ukladania, reprodukcie, štruktúrnej organizácie a čítania genetickej informácie. To zahŕňa kľúčové domény zodpovedné za mechanizmus replikácie (domény DNA-primázy atď.), transkripciu (vrátane 7 domén DNA-dependentných RNA polymeráz), transláciu (veľký súbor ribozomálnych proteínov, domény spojené s biogenézou ribozómov, iniciačné faktory a elongácia atď.), ako aj s rôznymi modifikáciami nukleových kyselín (vrátane spracovania rRNA v jadierku) a ich organizácie v jadre (históny a iné proteíny spojené s organizáciou chromozómov). Všimnite si, že nedávna podrobná porovnávacia analýza všetkých známych proteínov spojených s transkripciou ukázala, že archaea vykazujú väčšiu podobnosť s eukaryotmi ako baktériami (Coulson et al., 2001, obr. 1b).

Zaujímavých je 6 domén spojených so syntézou (posttranskripčné modifikácie) tRNA. Chemické zmeny vnášané špeciálnymi enzýmami do nukleotidov tRNA sú jedným z najdôležitejších prostriedkov adaptácie na vysoké teploty (umožňujú tRNA udržať si správnu terciárnu štruktúru pri zahrievaní). Ukázalo sa, že počet zmenených nukleotidov v termofilných archaálnych tRNA sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou (Noon et al., 2003). Ponechanie týchto archaických domén v eukaryotoch môže naznačovať, že teplotné podmienky v biotopoch prvých eukaryotov boli nestabilné (hrozilo prehriatie), čo je typické pre biotopy v plytkej vode.

Signálno-regulačných domén je relatívne málo, ale medzi nimi sú také dôležité ako transkripčný faktor TFIID (TATA-binding protein, PF00352), domény transkripčných faktorov TFIIB, TFIIE, TFIIS (PF00382, PF02002, PF01096), všeobecné -účelové regulátory transkripcie, ktoré hrajú ústrednú úlohu pri aktivácii génov transkribovaných RNA polymerázou II. Zaujímavá je aj doména CBFD_NFYB_HMF (PF00808): u archaea ide o histón, zatiaľ čo u eukaryotov ide o transkripčný faktor podobný histónu.

Zvlášť pozoruhodné sú eukaryotické domény "archaálneho pôvodu" spojené s membránovými vezikulami. Patria sem Adaptin N doména (PF01602), ktorá je spojená s endocytózou u eukaryotov; Aromatic-di-Alanine (AdAR) repeat (PF02071), ktorý sa u eukaryotov podieľa na procese fúzie membránových vezikúl s cytoplazmatickou membránou a nachádza sa v dvoch druhoch archaea z rodu Pyrococcus; Syntaxín (PF00804), ktorý u eukaryotov reguluje najmä prichytenie intracelulárnych membránových vezikúl na presynaptickú membránu neurónov a bol nájdený v aeróbnych archeách rodu Aeropyrum atď. Neexistujú žiadne proteíny s takouto funkciou medzi „ domény bakteriálneho pôvodu“. Domény, ktoré riadia membránovú fúziu a tvorbu vezikúl, by mohli hrať dôležitú úlohu pri symbiogenetickej tvorbe eukaryotickej bunky, pretože vytvárajú základ pre rozvoj fagocytózy (najpravdepodobnejší spôsob získavania intracelulárnych symbiontov - plastidov a mitochondrií), ako aj na bunkovú fúziu (kopuláciu) a tvorbu rôznych intracelulárnych eukaryotických membránových štruktúr, ako je endoplazmatické retikulum (ER). Eukaryotický ER je podľa jednej z hypotéz archaebakteriálneho pôvodu (Dolan et al., 2002). Predpoklad je založený najmä na podobnosti syntézy N-viazaných glykánov v ER s určitými štádiami tvorby bunkovej steny u archaea (Helenius a Aebi, 2001). Pripomeňme, že ER eukaryotov úzko súvisí s jadrovým obalom, čo nám umožňuje predpokladať spoločnú genézu týchto štruktúr.

Pozor si treba dať aj na takmer úplnú absenciu metabolických domén v tejto skupine (čo je v ostrom kontraste so skupinou eukaryotických „domén bakteriálneho pôvodu“, kde naopak výrazne prevládajú metabolické proteíny).

Z hľadiska problematiky vzniku eukaryotov sú zaujímavé také domény archaálneho pôvodu, ako je doména zinkového prsta ZPR1 (PF03367) (u eukaryotov je táto doména súčasťou mnohých kľúčových regulačných proteínov, najmä tých, ktoré sú zodpovedné za tzv. interakcia medzi jadrovými a cytoplazmatickými procesmi) a zf-RanBP (PF00641), ktorý je jednou z najdôležitejších zložiek jadrových pórov eukaryotov (zodpovedných za transport látok cez jadrovú membránu).

Všetkých 28 domén ribozomálnych proteínov archaálneho pôvodu je prítomných v cytoplazmatických ribozómoch eukaryotov a všetky sa nachádzajú v rastlinách aj zvieratách. Tento obraz je v súlade so skutočnosťou, že doména NOG1, ktorá má špecifickú aktivitu GTPázy a je využívaná pomocnými proteínmi nukleárneho organizátora (zhluky génov rRNA), je tiež archaálneho pôvodu.

Tabuľka. Porovnanie funkčných spektier eukaryotických domén prítomných alebo neprítomných v archaea (A), cyanobaktériách (C), alfaproteobaktériách (P) a baktériách všeobecne, vrátane C a P (B).

Funkčná skupina	A má, B nie	B má, A nie	C alebo P to má, A nie	B má, A, C a P nie
Syntézy bielkovín
Vrátane: ribozómov a ribozómov súvisiacich s biogenézou
Vysielanie
Syntéza, modifikácia tRNA
Posttranslačné modifikácie proteínov
Replikácia, transkripcia, modifikácia a organizácia NK
Vrátane: základnej replikácie a transkripcie
Históny a iné proteíny, ktoré organizujú DNA v chromozómoch
NA modifikácia (nukleázy, topoizomerázy, helikázy atď.)
reparácia, rekombinácia
NK-väzbové domény nejasnej funkcie alebo všeobecného účelu
Proteíny spojené s tvorbou a funkciou membránových vezikúl
Transport a triedenie bielkovín
Signálne a regulačné proteíny
Vrátane: transkripčných faktorov (regulácia génovej expresie)
Receptory
Domény medzibunkovej interakcie
Interproteínové interakčné domény
Domény viažuce proteín na membránu
Ochranné a súvisiace s imunitným systémom
Súvisí s virulenciou patogénnych baktérií a prvokov
Regulácia ontogenézy
Domény súvisiace s hormónmi
Regulácia replikácie
lektíny (proteíny, ktoré tvoria komplexy so sacharidmi)
Iné signálne a regulačné proteíny
Proteíny spojené s cytoskeletom, mikrotubuly
Proteíny spojené s delením buniek
Metabolizmus
Vrátane: oxidácie kyslíka (oxygenázy, peroxidázy atď.)
Metabolizmus steroidov, terpénov
Metabolizmus nukleotidov a dusíkatých zásad
Metabolizmus uhľohydrátov
metabolizmus lipidov
Metabolizmus aminokyselín
Metabolizmus bielkovín (peptidázy, proteázy atď.)
Fotosyntéza, dýchanie, reťazec transportu elektrónov
Iná základná energia (ATP syntáza, NAD-H dehydrogenáza atď.)
Iné metabolické domény

Ryža. 2. Funkčné spektrá „archaálnych“ a „bakteriálnych“ eukaryotických domén. 1 - Syntéza bielkovín, 2 - Replikácia, transkripcia, modifikácia a organizácia NK, 3 - Signálne a regulačné proteíny, 4 - Proteíny spojené s tvorbou a fungovaním membránových vezikúl, 5 - Transport a triedenie proteínov, 6 - Metabolizmus

Funkčné spektrum eukaryotických domén "bakteriálneho" pôvodu

V tejto skupine sú prítomné aj domény spojené so základnými informačnými procesmi (replikácia, transkripcia, spracovanie RNA, translácia, organizácia chromozómov a ribozómov atď.), ich relatívny podiel je však oveľa menší ako u „archaálnych“ domén (obr. 2). ).). Väčšina z nich má buď sekundárny význam, alebo je spojená s informačnými procesmi v organelách (mitochondriách a plastidoch). Napríklad medzi eukaryotickými doménami archaálneho pôvodu je 7 domén DNA-dependentných RNA polymeráz (základný mechanizmus transkripcie), kým v bakteriálnej skupine sú len dve takéto domény (PF00940 a PF03118), z ktorých prvá je spojená s transkripciou mitochondriálnej DNA a druhá je plastid. Ďalší príklad: doména PF00436 (rodina jednovláknových väzbových proteínov) v baktériách je súčasťou multifunkčných proteínov, ktoré hrajú dôležitú úlohu pri replikácii, oprave a rekombinácii; u eukaryotov sa táto doména podieľa iba na replikácii mitochondriálnej DNA.

Situácia s ribozomálnymi proteínmi je veľmi orientačná. Z 24 eukaryotických domén ribozomálnych proteínov bakteriálneho pôvodu je 16 prítomných v ribozómoch mitochondrií a plastidov, 7 je prítomných iba v plastidoch a neexistujú žiadne údaje o lokalizácii v eukaryotických bunkách pre jednu ďalšiu doménu. Baktérie zúčastňujúce sa na eukaryotickej integrácii teda zjavne prakticky ničím neprispeli k štruktúre eukaryotických cytoplazmatických ribozómov.

Medzi doménami bakteriálneho pôvodu je oveľa vyšší podiel signálno-regulačných proteínov. Ak však medzi niekoľkými regulačnými doménami archaálneho pôvodu prevládajú základné transkripčné regulátory všeobecného účelu (v skutočnosti ani tak neregulujú, ako organizujú proces), potom v bakteriálnej skupine dominujú signálno-regulačné domény, zodpovedné za špecifické mechanizmy. bunkovej odpovede na faktory prostredia (biotické a abiotické). Tieto domény definujú to, čo možno obrazne nazvať „ekológia bunky“. Môžu byť podmienene rozdelené na "autekologické" a "synekologické" a obe sú široko zastúpené.

„Autekologické“ domény zodpovedné za adaptáciu buniek na vonkajšie abiotické faktory zahŕňajú najmä domény proteínov hit-shock (zodpovedných za prežitie buniek pri prehriatí), ako napríklad HSP90 - PF00183. Patria sem aj všetky druhy receptorových proteínov (doména receptora L - PF01030, trieda opakovania receptora lipoproteínu s nízkou hustotou B - PF00058 atď.), ako aj ochranné proteíny, napríklad tie, ktoré sú spojené s ochranou buniek pred iónmi ťažkých kovov (TerC - PF03741 ), od iných toxických látok (toluénová tolerancia, Ttg2 - PF05494), od oxidačného stresu (Indigoidínsyntáza A - PF04227) a mnohých ďalších. iní

Zachovanie mnohých bakteriálnych domén „ekologického“ charakteru v eukaryotoch potvrdzuje už skôr vyslovený predpoklad, že mnohé integračné mechanizmy, ktoré zabezpečujú integritu a koordinovanú prácu častí eukaryotickej bunky (predovšetkým signálne a regulačné kaskády), sa začali rozvíjať dávno predtým, ako tieto časti skutočne existoval.zjednotený pod jednou bunkovou membránou. Spočiatku sa formovali ako mechanizmy, ktoré zabezpečujú integritu mikrobiálneho spoločenstva (Markov, v tlači).

Zaujímavé sú domény bakteriálneho pôvodu, ktoré sa podieľajú na regulácii ontogenézy alebo diferenciácie buniek a tkanív u eukaryotov (napríklad sterilný alfa motív - PF00536; doména TIR - PF01582; ​​doména jmjC - PF02373 atď.). Samotná „myšlienka“ ontogenézy mnohobunkových eukaryotov je založená predovšetkým na schopnosti buniek s nezmeneným genómom meniť svoju štruktúru a vlastnosti v závislosti od vonkajších a vnútorných faktorov. Táto schopnosť adaptívnej modifikácie pochádza z prokaryotických spoločenstiev a pôvodne slúžila na prispôsobenie baktérií meniacim sa biotickým a abiotickým faktorom.

Analýza pôvodu takejto domény tak významnej pre eukaryoty, ako je Ras, je tiež orientačná. Proteíny nadrodiny Ras sú najdôležitejšími účastníkmi signalizačných kaskád v eukaryotických bunkách, prenášajú signál z receptorov, proteínkinázových aj spojených s G-proteínom, na nereceptorové kinázy – účastníkov kaskády kináz MAPK na transkripčné faktory, na fosfatidylinozitolkinázy na druhých poslov, ktorá riadi stabilitu cytoskeletu, aktivitu iónových kanálov a ďalšie životne dôležité bunkové procesy. Jeden z najdôležitejších motívov domény Ras, P-slučka s aktivitou GTPázy, je známy v doménach väzby elongačného faktora Tu GTP (GTP_EFTU) a s ním súvisiacich COG0218 a je široko zastúpený v baktériách aj archaea. Tieto domény však patria k GTPázam s vysokou molekulovou hmotnosťou a nesúvisia s cytoplazmatickou signalizáciou.

Formálne je doména Ras jednou zo spoločných domén pre archaea, baktérie a eukaryoty. Ak sa však v druhom prípade nachádza v obrovskom počte vysoko špecializovaných signálnych proteínov, potom sa v genómoch baktérií a archaea pozorujú izolované prípady jeho detekcie. V bakteriálnom genóme bola doména Ras identifikovaná v proteobaktériách a cyanobaktériách ako súčasť peptidov s nízkou molekulovou hmotnosťou. Zároveň je štruktúra dvoch peptidov podobná štruktúre eukaryotických proteínov Ras a jeden z Anabaena sp. navyše nesie doménu LRR1 (leucín bohaté opakovanie) zapojenú do interakcií proteín-proteín. V archaálnom genóme bola doména Ras nájdená u euarcheotov Methanosarcinaceae (Methanosarcina acetivorans) a Methanopyraceae (Methanopyrus kandleri AV19). Ukazuje sa, že u Methanosarcina acetovorans sa doména Ras nachádza aj vedľa domény LRR1, ktorá zatiaľ nebola nájdená v iných archaálnych proteínoch a je známa u eukaryotov a baktérií, vrátane vyššie spomínaného cyanobakteriálneho proteínu Ras. V Methanopyrus kandleri AV19 je doména Ras umiestnená vedľa domény COG0218, čo naznačuje iné funkcie tohto proteínu v porovnaní s proteínmi Ras. Tieto skutočnosti naznačujú sekundárny výskyt domén Ras a LRR1 v archaea produkujúcich metán a primárnu tvorbu a špecializáciu domény Ras v baktériách.

Najdôležitejším rozdielom medzi funkčným spektrom domén bakteriálneho pôvodu a „archaálnych“ domén je ostrá prevaha metabolických domén. Medzi nimi je potrebné poznamenať predovšetkým veľké množstvo domén spojených s fotosyntézou a dýchaním kyslíka. Nie je to prekvapujúce, keďže podľa všeobecne uznávaného názoru fotosyntézu aj dýchanie kyslíka získavali eukaryoty spolu s bakteriálnymi endosymbiontmi – predkami plastidov a mitochondrií.

Dôležité pre pochopenie pôvodu eukaryotov sú domény, ktoré priamo nesúvisia s mechanizmom aeróbneho dýchania, ale sú spojené s mikroaerofilným metabolizmom eukaryotickej cytoplazmy a s ochranou pred toxickými účinkami molekulárneho kyslíka (oxygenáza, peroxidáza atď.). V „bakteriálnej“ skupine je veľa takýchto domén (19), zatiaľ čo v „archaálnej“ chýbajú. Väčšina z týchto domén v eukaryotoch funguje v cytoplazme. To naznačuje, že eukaryoty zrejme zdedili od baktérií nielen mitochondriálne dýchanie kyslíka, ale aj významnú časť „aeróbneho“ (presnejšie mikroaerofilného) cytoplazmatického metabolizmu.

Pozornosť by sa mala venovať veľkému počtu (93) domén spojených s metabolizmom uhľohydrátov. Väčšina z nich v eukaryotoch pracuje v cytoplazme. Patrí medzi ne fruktózadifosfátaldoláza (domény PF00274 a PF01116) je jedným z kľúčových enzýmov glykolýzy. Fruktózadifosfátaldoláza katalyzuje reverzibilné štiepenie hexózy (fruktózadifosfátu) na dve trojuhlíkové molekuly (dihydroxyacetónfosfát a glyceraldehyd-3-fosfát). Porovnanie iných glykolytických enzýmov v archeách, baktériách a eukaryotoch (najmä podľa genómových údajov zo systému COG http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG/new/release/coglist.cgi?pathw= 20) jednoznačne potvrdzuje bakteriálnu (nie archaálnu) povahu hlavnej zložky energetického metabolizmu cytoplazmy eukaryotických buniek – glykolýzu. Tento záver podporuje jednak párové porovnanie proteínových sekvencií pomocou BLAST (Feng et al., 1997), ako aj výsledky podrobnej komparatívnej fylogenetickej analýzy kompletných sekvencií glykolytických enzýmov u niekoľkých predstaviteľov archaea, baktérií a eukaryotov (Canback et al. al., 2002).

Najdôležitejšiu úlohu v cytoplazmatickom metabolizme sacharidov u eukaryotov zohráva laktátdehydrogenáza, enzým, ktorý redukuje konečný produkt glykolýzy (pyruvát) za vzniku laktátu (niekedy sa táto reakcia považuje za posledný krok glykolýzy). Táto reakcia je „anaeróbnou alternatívou“ mitochondriálnej respirácie kyslíka (pri nej dochádza k oxidácii pyruvátu na vodu a oxid uhličitý). Laktátdehydrogenáza z primitívneho eukaryotického organizmu, huby Schizosaccharomyces pombe, sa porovnávala s archaálnymi a bakteriálnymi proteínmi pomocou BLAST. Ukázalo sa, že tento proteín je takmer identický s malát/laktátdehydrogenázami baktérií rodu Clostridium - prísne anaeróbne fermentory (E min = 2 * 10 -83) a v menšej miere obligátne alebo fakultatívne aeróby z rodu Bacillus related na Clostridium (E min = 10 - 75). Najbližším archeálnym homológom je proteín aeróbneho archaea Aeropyrum pernix (E=10 -44). Eukaryoty teda tiež zdedili túto kľúčovú zložku cytoplazmatického metabolizmu skôr od fermentujúcich baktérií ako od archaea.

Medzi eukaryotickými doménami bakteriálneho pôvodu existuje niekoľko domén spojených s metabolizmom zlúčenín síry. Je to dôležité, pretože domnelí bakteriálni predkovia plastidov a najmä mitochondrií (fialové baktérie) boli ekologicky úzko spätí s cyklom síry. V tomto ohľade je obzvlášť zaujímavý enzým sulfid/chinón oxidoreduktáza nachádzajúci sa v mitochondriách, ktorý môžu eukaryoty zdediť priamo z fotosyntetických alfaproteobaktérií, ktoré počas fotosyntézy využívajú sírovodík ako donor elektrónov (na rozdiel od rastlín a väčšiny siníc, ktoré na to využívajú vodu ) (Theissen a kol., 2003). Chinonsulfid oxidoreduktázy a príbuzné proteíny sa nachádzajú v baktériách aj archaea; preto je zodpovedajúca rodina proteínov Pfam v skupine domén spoločných pre všetky tri superkráľovstvá. Z hľadiska sekvencií aminokyselín týchto enzýmov sú však eukaryoty oveľa bližšie k baktériám ako k archeám. Napríklad porovnaním ľudskej mitochondriálnej sulfid-chinón oxidoreduktázy http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/viewer.fcgi?db=protein&val=27151704 s archaálnymi proteínmi pomocou BLAST získame minimálne hodnoty E pri najmenej 4*10 - 36 (Thermoplasma), s bakteriálnym - 10 -123 (Chloroflexus).

Bakteriálne "korene" biosyntézy sterolov

"Bakteriálna" skupina obsahuje niekoľko domén spojených s metabolizmom steroidov (3-beta hydroxysteroid dehydrogenáza/izomerázová rodina - PF01073, Lecitín:cholesterol acyltransferáza - PF02450, 3-oxo-5-alfa-steroid 4-dehydrogenáza - PF02544, atď.). Aj L. Margelis (1983), jeden z hlavných tvorcov symbiogenetickej teórie pôvodu eukaryotov, poznamenal, že je veľmi dôležité zistiť pôvod kľúčového enzýmu pre biosyntézu sterolov (vrátane cholesterolu) v eukaryotoch - skvalénu. monooxygenáza, ktorá katalyzuje reakciu:

skvalén + O 2 + AH 2 = (S)-skvalén-2,3-epoxid + A + H20

Produkt tejto reakcie sa potom izomerizuje a mení na lanosterol, z ktorého sa následne syntetizuje cholesterol, všetky ostatné steroly, steroidné hormóny atď.baktérie alebo archaea. Tento enzým obsahuje podľa Pfam jedinú konzervovanú doménu (Monooxygenáza - PF01360), ktorá je prítomná v mnohých proteínoch všetkých troch superkráľov. Porovnanie aminokyselinovej sekvencie ľudskej skvalenmonooxygenázy (NP_003120; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/viewer.fcgi?db=protein&val=4507197) pomocou BLAST so sarchaálnymi a bakteriálnymi proteínmi ukazuje, že tento proteín vykazuje oveľa väčšiu podobnosť s bakteriálnymi ako s archaálnymi analógmi (pre prvé, minimálna hodnota E=5*10-9, pre druhé, Emin=0,28). Z baktérií majú najpodobnejšie proteíny aktinobaktéria Streptomyces argillaceus, bacil Bacillus halodurans a gamaproteobaktéria Pseudomonas aeruginosa. Až po nich prichádza sinica Nostoc sp. (E = 3 x 10-4). Zdá sa teda, že kľúčový enzým biosyntézy sterolov vznikol v skorých eukaryotoch skôr na základe bakteriálnych než archaálnych prekurzorových proteínov.

Ďalším dôležitým enzýmom v biosyntéze sterolov je skvalénsyntáza (EC 2.5.1.21), ktorá syntetizuje prekurzor sterolov, skvalén. Tento enzým patrí do rodiny Pfam SQS_PSY - PF00494, ktorá je prítomná vo všetkých troch superkráľovstvách. Ľudská skvalénsyntáza (http://www.genome.jp/dbget-bin/www_bget?hsa+2222) je veľmi podobná homológnym proteínom baktérií, najmä cyanobaktérií a proteobaktérií (E min = 2*10 -16), ale je tiež podobná skvalénsyntáze z archaea Halobacterium sp. (E = 2 x 10-15).

Získané výsledky v zásade nie sú v rozpore s hypotézou L. Margulisa, že skvalén bol prítomný už v protoeukaryotoch, t.j. v jadrovo-cytoplazmatickej zložke pred získaním mitochondrií, zatiaľ čo syntéza lanosterolu bola možná až po tejto udalosti. Na druhej strane NCC musel mať dostatočne elastickú a pohyblivú membránu, aby získal mitochondriálneho symbionta, a to je len ťažko možné bez syntézy sterolov, ktoré práve dávajú eukaryotickým membránam vlastnosti potrebné na fagocytózu, tvorbu pseudopódií atď.

cytoskelet

Najdôležitejšou vlastnosťou eukaryotickej bunky je prítomnosť mikrotubulov, ktoré sú súčasťou unulipodia (bičíkov), mitotického vretienka a iných štruktúr cytoskeletu. L. Margelis (1983) navrhol, že tieto štruktúry zdedili predkovia eukaryotov zo symbiotických spirochét, ktoré sa zmenili na unulipodiu. B. M. Mednikov v predslove k ruskému vydaniu knihy L. Margelisa naznačil, že najlepším dôkazom tejto hypotézy by bol objav homológie v aminokyselinových sekvenciách kontraktilného proteínu spirochét a proteínov eukaryotického cytoskeletu. Rovnaká myšlienka je podrobne rozvinutá v nedávnej práci M. F. Dolana a kol. (Dolan a kol., 2002).

V eukaryotických cytoskeletálnych proteínoch ešte nebolo možné detegovať znaky špecifické špecificky pre spirochéty. Zároveň boli nájdené možné prekurzory týchto proteínov v baktériách aj archeách.

Tubulín obsahuje dve Pfam domény: Tubulín/FtsZ rodina, C-terminálna doména (PF03953) a Tubulín/FtsZ rodina, GTPázová doména (PF00091). Rovnaké dve domény sú prítomné v proteínoch FtsZ, ktoré sú široko distribuované v baktériách a archaea. Proteíny FtsZ sú schopné polymerizovať do tubulov, doštičiek a prstencov a zohrávajú dôležitú úlohu pri delení buniek u prokaryotov.

Hoci sú eukaryotické tubulíny a prokaryotické FtsZ proteíny homológy, ich sekvenčná podobnosť je veľmi nízka. Napríklad tubulínový proteín spirochéty Leptospira interrogans, ktorý obsahuje obe vyššie uvedené domény (http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?Q72N68), vykazuje vysokú podobnosť s plastidové a mitochondriálne eukaryotické proteíny podieľajúce sa na delení týchto organel.ale nie s eukaryotickým tubulínom. Niektorí výskumníci preto naznačujú, že musel existovať iný prekurzor prokaryotického tubulínu bližšie k eukaryotickým homológom ako proteíny FtsZ. Nedávno boli takéto proteíny, skutočne veľmi podobné eukaryotickým tubulínom (Emin=10-75), nájdené v niekoľkých bakteriálnych druhoch rodu Prosthecobacter (Jenkins et al., 2002). Tieto baktérie sú na rozdiel od spirochét nepohyblivé. Autori spomínanej práce sa domnievajú, že protoeukaryoty mohli získať tubulín horizontálnym prenosom z Prosthecobacter alebo inej baktérie, ktorá mala podobné proteíny (nie je vylúčená možnosť fúzie bunky archaebaktérie s baktériou, ktorá mala tubulínový gén).

GTPázy zapojené do regulácie zostavovania mikrotubulov tiež naznačujú bakteriálne „korene“ eukaryotického cytoskeletu. Doména Dynamin_N má teda striktne bakteriálny pôvod (nachádza sa v mnohých skupinách baktérií a v archeách je neznáma).

Niektoré proteíny dôležité pre tvorbu cytoskeletu, eukaryoty by mohli zdediť z archaea. Napríklad prefoldín (PF02996) sa podieľa na biogenéze aktínu; homológne proteíny sa nachádzajú v mnohých archaeách, zatiaľ čo v baktériách boli nájdené iba jednotlivé malé fragmenty podobných sekvencií. Pokiaľ ide o samotný aktín, v prokaryotoch sa zatiaľ nenašli žiadne zjavné homológy tohto najdôležitejšieho eukaryotického proteínu. Baktérie aj archaea majú proteíny MreB/Mbl podobné aktínu svojimi vlastnosťami (schopnosť polymerizovať a vytvárať filamenty) a terciárnou štruktúrou (Ent et al., 2001; Mayer, 2003). Tieto proteíny slúžia na udržanie tyčinkovitého tvaru bunky (nenachádzajú sa v kokoidných formách), pričom tvoria niečo ako „prokaryotický cytoskelet“. Proteíny MreB/Mbl sa však vo svojej primárnej štruktúre len málo podobajú na aktín. Napríklad MreB proteíny spirochéty Treponema pallidum ( http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?O83510), Clostridium tetani ( http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/Blast.cgi) a archaea Metanobacterium thermoautotrophicum ( http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?O27103) a Metanopyrus kandleri ( http://us.expasy.org/cgi-bin/sprot-search-ac?Q8TYX3) eukaryotických proteínov vykazujú najväčšiu podobnosť s hit-shock proteínmi chloroplastov a mitochondrií Hsp70 (chaperóny; lokalizované v nukleoidoch organel, podieľajúce sa na translokáciách proteínových molekúl). Podobnosť medzi primárnou štruktúrou proteínov MreB a aktínom je dosť slabá, ale v archaálnych proteínoch je o niečo vyššia ako v bakteriálnych.

Pôvod bakteriálnych zložiek eukaryotickej nukleocytoplazmy.

Tento prehľad potvrdzuje, že NCC je chimérická formácia, ktorá kombinuje vlastnosti archaea a baktérií. Jeho „centrálne“ bloky spojené s uchovávaním, rozmnožovaním, organizáciou a čítaním genetickej informácie sú prevažne archaálneho pôvodu, pričom významná časť „periférie“ (metabolické, signálno-regulačné a transportné systémy) má jednoznačne bakteriálne korene.

Archaálny predok zrejme zohral hlavnú organizačnú úlohu vo vývoji NCC, avšak významná časť jeho „periférnych“ systémov bola stratená a nahradená systémami bakteriálneho pôvodu. Ako sa to mohlo stať?

Najjednoduchším vysvetlením, ktoré ponúkajú mnohí autori, je predpoklad, že bakteriálne elementy NCC pochádzajú z endosymbiontov – mitochondrií a plastidov, z ktorých mnohé gény sa skutočne presunuli do jadra a proteíny, ktoré kódujú, prevzali mnoho čisto cytoplazmatických funkcií. Toto vysvetlenie presvedčivo podporuje rozsiahly faktografický materiál (Vellai a Vida, 1999; Gray a kol., 1999; Gabaldon a Huynen, 2003). Jedinou otázkou je, či je to dostatočné.

Existujú dôvody domnievať sa, že to tak nie je. Je známych veľa faktov, ktoré poukazujú na prítomnosť bakteriálnych zložiek v nukleocytoplazme eukaryotov, ktoré nepochádzajú ani z plastidových, ani z mitochondriálnych endosymbiontov (Gupta, 1998). To je možné vidieť aj z analýzy proteínových domén. V NCC je pomerne veľa „bakteriálnych“ domén, ktoré nie sú charakteristické ani pre cyanobaktérie (predkovia plastidov), ani pre alfaproteobaktérie (predkovia mitochondrií). Ak z „bakteriálnych“ domén eukaryotov (831 domén) vylúčime tie, ktoré sa nachádzajú v cyanobaktériách a alfaproteobaktériách, zostáva ďalších 229 domén. Ich vznik nemožno vysvetliť migráciou z organel do cytoplazmy. Podobné výsledky boli získané aj pri porovnávacej analýze kompletných sekvencií proteínových molekúl: eukaryoty našli veľa proteínov bakteriálneho pôvodu, ktoré nezískali spolu s endosymbiontmi, ale pochádzajú z iných skupín baktérií. Mnohé z týchto proteínov sa sekundárne dostali do organel, kde naďalej fungujú v moderných eukaryotoch (Kurland a Andersson, 2000; Walden, 2002).

Tabuľka (dva pravé stĺpce) odráža funkčné spektrá dvoch skupín „bakteriálnych“ eukaryotických domén:

1) domény nachádzajúce sa v cyanobaktériách a/alebo alfaproteobaktériách, tzn. tie, ktoré by mohli získať eukaryoty spolu s endosymbiontmi - plastidy a mitochondrie (602 domén),
2) domény neprítomné v cyanobaktériách a alfaproteobaktériách, t.j. tie, ktorých vznik nemôže priamo súvisieť so získavaním plastidov a mitochondrií (229 domén).

Pri porovnávaní funkčných spektier je potrebné vziať do úvahy, že mnohé z domén prvej skupiny mohli v skutočnosti získať aj eukaryoty nie od endosymbiontov, ale od iných baktérií, ktoré tiež tieto domény majú. Dá sa teda očakávať, že skutočný počet „bakteriálnych“ domén získaných eukaryotmi, ktoré nie sú od endosymbiontov, je výrazne vyšší, ako ukazujú čísla v pravom stĺpci tabuľky. To platí najmä pre proteíny z tých funkčných skupín, pre ktoré sú čísla v treťom stĺpci tabuľky menšie alebo o niečo vyššie ako čísla vo štvrtom stĺpci.

V prvom rade si všimneme, že takmer všetky „bakteriálne“ eukaryotické domény spojené so základnými mechanizmami replikácie, transkripcie a translácie (vrátane ribozomálnych proteínov) patria do prvej skupiny. Inými slovami, je vysoko pravdepodobné, že ich eukaryoty získavajú takmer výlučne z endosymbiontov, ktoré sa vyvinuli na plastidy a mitochondrie. Dalo sa to očakávať, keďže predkovia týchto organel boli úplne zachytení jadrovo-cytoplazmatickou zložkou spolu s ich vlastnými systémami na spracovanie genetickej informácie a syntézu bielkovín. Plastidy a mitochondrie si zachovali svoje bakteriálne kruhové chromozómy, RNA polymerázy, ribozómy a ďalšie centrálne systémy podpory života. „Zásah“ NCC do vnútorného života organel sa zredukoval na presun väčšiny ich génov do jadra, kde sa dostali pod kontrolu pokročilejších jadrových-cytoplazmatických regulačných systémov. Takmer všetky eukaryotické „bakteriálne“ domény spojené s informačnými procesmi fungujú v organelách, a nie v jadre a cytoplazme.

Hlavným rozlišovacím znakom funkčného spektra domén druhej skupiny je prudko zvýšený podiel signálno-regulačných proteínov. Patria sem mnohé domény „ekologického“ charakteru, teda tie, ktoré boli u prokaryotov zodpovedné za vzťah bunky s vonkajším prostredím a najmä s ostatnými členmi prokaryotickej komunity (receptory, signálne a ochranné proteíny, domény medzibunkovej interakcie atď.) . V mnohobunkových eukaryotoch, ako už bolo uvedené, tieto domény často poskytujú interakciu medzi bunkami a tkanivami a používajú sa aj v imunitnom systéme (vzťahy s cudzími mikroorganizmami sú tiež druhom „synekológie“).

Podiel metabolických domén v druhej skupine je v porovnaní s prvou prudko znížený. Existuje zreteľná nerovnomernosť v kvantitatívnom rozdelení domén prvej a druhej skupiny v rôznych častiach metabolizmu. Takmer všetky domény spojené s fotosyntézou, aeróbnym dýchaním a transportnými reťazcami elektrónov sú teda zjavne mitochondriálneho alebo plastidového pôvodu. Toto je celkom očakávaný výsledok, pretože fotosyntéza a aeróbne dýchanie sú hlavnými funkciami plastidov a mitochondrií. Zodpovedajúce molekulárne systémy boli hlavným príspevkom endosymbiontov ku „komunálnej ekonomike“ vznikajúcej eukaryotickej bunky.

Medzi metabolickými doménami druhej skupiny majú najväčší podiel bielkoviny spojené s metabolizmom sacharidov. Už vyššie sme spomenuli podobnosť eukaryotickej laktátdehydrogenázy s homológnymi proteínmi fermentujúcich baktérií, ako je Clostridium (t. j. taxonomicky veľmi vzdialené od cyanobaktérií a alfaproteobaktérií). Podobná situácia je aj pri iných glykolytických enzýmoch. Napríklad ľudská glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza ( http://us.expasy.org/cgi-bin/niceprot.pl?G3P1_HUMAN) zo všetkých bakteriálnych homológov, ako aj laktátdehydrogenáza, vykazuje najväčšiu podobnosť s proteínmi zástupcov rodu Clostridium (E = 10 -136), ďalšie v stupni podobnosti sú rôzne gamaproteobaktérie - fakultatívne anaeróbne fermentory (Escherichia, Shigella , Vibrio, Salmonella atď. .d.), obligátne anaeróbne fermentory Bacteroides a až po nich - sinice Synechocystis sp. s E \u003d 10 -113. Archaeálne glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenázy sú oveľa menej podobné, hoci zodpovedajúce domény Pfam ( PF00044 a PF02800), samozrejme, sa nachádza vo všetkých troch kráľovstvách.

Zdá sa, že najdôležitejšie cytoplazmatické enzýmové systémy spojené s metabolizmom uhľohydrátov (vrátane glykolýzy) nezískali protoeukaryoty z endosymbiontov, ale z iných baktérií (možno z povinných alebo fakultatívnych anaeróbnych fermentorov). Tento záver presvedčivo potvrdzujú výsledky nedávnej podrobnej fylogenetickej analýzy sekvencií glykolytických enzýmov u mnohých predstaviteľov eukaryotov a baktérií (Canback et al., 2002).

Polovica z ôsmich „bakteriálnych“ domén metabolizmu steroidov a príbuzných zlúčenín chýba u predchodcov plastidov a mitochondrií, vrátane domény 3-beta hydroxysteroid dehydrogenázy/izomerázovej rodiny (PF01073), rozšírené v eukaryotoch aj baktériách. V eukaryotoch sa proteíny tejto rodiny podieľajú na syntéze steroidných hormónov, zatiaľ čo v baktériách vykonávajú iné katalytické funkcie, najmä tie, ktoré sú spojené s metabolizmom nukleotidových cukrov. Zostávajúce tri domény sa nachádzajú iba v dvoch alebo troch bakteriálnych druhoch (navyše rôzne domény sa nachádzajú v rôznych druhoch). Nie je známe, akú funkciu tieto proteíny vykonávajú v baktériách. Vo všeobecnosti však tieto údaje naznačujú, že enzýmové systémy metabolizmu steroidov sa mohli vyvinúť v skorých eukaryotoch na základe bakteriálnych prekurzorových proteínov, ktoré predtým vykonávali trochu iné funkcie, a pôvod týchto prekurzorov nemožno spájať výlučne s endosymbiontmi - plastidmi a mitochondriami. . Pripomeňme, že kľúčový enzým syntézy sterolov v eukaryotoch (skvalénmonooxygenáza) vykazuje najväčšiu podobnosť aj s proteínmi aktinobaktérií, bacilov a gamaproteobaktérií, a nie so sinicami či alfaproteobaktériami.

Povaha a genéza jadrovo-cytoplazmatickej zložky eukaryotov.

Pokúsme sa na základe uvedených údajov obnoviť vzhľad NCC, ako to bolo v predvečer získania mitochondriálnych endosymbiontov.

„Centrálna“ alebo informačná časť NCC (systémy replikácie, transkripcie a translácie vrátane ribozómov) mala výraznú archaálnu povahu. Treba si však uvedomiť, že žiadna zo živých archeí (rovnako ako baktérie) nemá vnútrobunkových symbiontov. Navyše, všetky nám známe prokaryoty ich v zásade nemôžu získať, pretože neschopný fagocytózy. Zrejme jedinou výnimkou sú záhadné symbiotické bakteriálne komplexy hmyzu z čeľade Pseudococcidae, pozostávajúce z guľôčok obsahujúcich gamaproteobaktérie. Je možné, že samotné tieto guľôčky sú betaproteobaktérie, silne modifikované počas dlhej koevolúcie s hmyzím hostiteľom (Dohlen et al., 2001).

Všimnite si tiež, že vznik eukaryotickej bunky bol veľkým evolučným skokom. Z hľadiska rozsahu je táto udalosť porovnateľná len so vznikom samotného života. Organizmus, ktorý zohral ústrednú úlohu v tejto veľkej premene, musel mať jedinečné vlastnosti. Preto by sa nemalo očakávať, že NCC bol „normálny prokaryotický organizmus“. V modernej biote neexistujú žiadne priame analógy tohto organizmu.

JCC by musel byť dostatočne veľký organizmus, aby prevzal endosymbionty, zatiaľ čo archaea sú väčšinou malé prokaryoty.

Mnohé archey sa vyznačujú veľmi malými genómami, čo môže byť výsledkom úzkej špecializácie na extrémne biotopy, kde tieto organizmy prakticky nepociťujú konkurenčný tlak a podmienky, aj keď extrémne, sa nemenia ani miliardy rokov. NCC mal skôr žiť v zložitom biotickom prostredí, byť koenofilom a mať pomerne veľký genóm vrátane génov pre „synekologické“ proteínové systémy potrebné na úspešnú interakciu s inými zložkami mikrobiálnej komunity. Tieto isté proteíny následne vytvorili základ vnútrobunkových koordinačných systémov zodpovedných za koordinovanú životnú aktivitu hostiteľa a symbiontov. Súdiac podľa vyššie uvedených údajov, významnú (možno veľkú) časť týchto génov získal NCC z baktérií, a nie z tých, ktoré sa stali endosymbiontmi, ale od iných.

Zdá sa, že NCC by mala mať dostatočnú elasticitu membrány na zachytenie endosymbiontov. To naznačuje prítomnosť membránových sterolov a následne molekulárnych systémov na ich biosyntézu. Možné prekurzory niektorých enzýmov metabolizmu sterolov sa opäť nachádzajú v baktériách nepríbuzných s predchodcami mitochondrií a plastidov.

Biosyntéza sterolov vyžaduje prítomnosť nízkych koncentrácií molekulárneho kyslíka. Zdá sa, že JCC bol skôr mikroaerofilný ako prísne anaeróbny organizmus ešte pred získaním mitochondrií. Niektoré domény mikroaerofilného metabolizmu boli získané NCC z baktérií, ktoré sa nestali endosymbiontmi.

Na zachytenie endosymbiontov musel mať NCC okrem elastických membrán aj cytoplazmatickú mobilitu, teda mať aspoň základy aktín-tubulínového cytoskeletu. Pôvod aktínu zostáva nejasný, ale JCC by si mohol požičať blízke homológy tubulínu od baktérií, ktoré nesúvisia s plastidmi a mitochondriami.

Metabolizmus NCC a budúcich mitochondrií, najmä energetický metabolizmus, museli byť komplementárne, inak by sa nemohol vyvinúť symbiotický systém. Mitochondrie sa získavajú z cytoplazmy predovšetkým pyruvátom - produktom glykolýzy. Enzýmy anaeróbneho štiepenia cukrov (glykolýza a mliečna fermentácia), ako je možné vidieť z vyššie uvedených údajov, boli získané NCC, s najväčšou pravdepodobnosťou z baktérií, ktoré nie sú príbuzné budúcim endosymbiontom.

V predvečer získania mitochondrií sa teda pred nami objavuje NCC v podobe chimérického organizmu s výrazne archaálnym „jadrom“ a bakteriálnou „perifériou“. To je v rozpore s myšlienkou, že predchodcom NCC bol prokaryotický organizmus, ktorý priamo nesúvisí ani s archaeou, ani s baktériami – „chronocyt“ (Hartman a Fedorov, 2002). To je tiež v rozpore s modelmi pôvodu eukaryotov, podľa ktorých sa všetky bakteriálne znaky nukleocytoplazmy objavili v dôsledku získania endosymbiontov (predovšetkým mitochondrií). Dostupné fakty lepšie zodpovedajú „chimérnym“ hypotézam, podľa ktorých sa archaea ešte pred získaním endosymbiontov zlúčila s nejakým druhom baktérie, napríklad spirochétou (Margulis et al., 2000; Dolan et al., 2002), fotosyntetická proteobaktéria (Gupta, 1998) alebo fermentor (Emelyanov, 2003).

Súbor nukleocytoplazmatických domén, ktoré sú bakteriálneho, ale nie endosymbiotického pôvodu, nám však neumožňuje jednoznačne poukázať na jednu skupinu baktérií ako na ich spoločný zdroj. Pravdepodobnejšie je požičiavanie jednotlivých génov a génových komplexov protoeukaryotmi z mnohých rôznych baktérií. Podobný predpoklad bol urobený už skôr na základe porovnávacej analýzy proteómov, ktorá preukázala prítomnosť mnohých proteínov bakteriálneho, ale nie alfaproteobakteriálneho pôvodu, dokonca aj v samotných mitochondriách (Kurland a Andersson, 2000).

Archaea, ktorá sa stala základom NCC, mala zjavne abnormálne vysokú schopnosť inkorporovať cudzí genetický materiál. Inkorporácia by sa mohla uskutočniť laterálnym prenosom (vírusovým alebo plazmidovým), priamou absorpciou DNA z vonkajšieho prostredia, ako aj vytvorením rôznych druhov kontaktov medzi archaálnou bunkou príjemcu a bunkami bakteriálneho darcu (od bežnej konjugácie až po úplnú bunkovú fúziu). Zrejme boli zakomponované celé enzýmové systémy (napríklad komplex glykolytických enzýmov, systém syntézy plazmatických membrán), čo by bolo veľmi ťažké dosiahnuť získavaním jednotlivých génov po jednom.

Normálne prokaryoty absorbujú cudziu DNA v procese konjugácie a prijímajúca bunka musí „rozpoznať“ darcovskú bunku a dostať sa do stavu kompetencie. Takže prokaryoty sú chránené pred výmenou genetického materiálu s nepríbuznými formami. Existujú však prokaryoty schopné tzv. „prirodzená premena“. Absorbujú izolovanú DNA z vonkajšieho prostredia, a preto sa nepotrebujú dostať do stavu kompetencie. Tieto prokaryoty sa vyznačujú extrémne vysokým polymorfizmom a prispôsobivosťou (napríklad antibiotikám). Príkladom takéhoto organizmu je hyperpolymorfná baktéria Helicobacter pylori. Je možné, že mimoriadna úroveň polymorfizmu tohto druhu súvisí s jeho nedávnou adaptáciou na život v ľudskom tele (Domaradsky, 2002).

U prokaryotov je prílev cudzích génov (prenášaných vírusmi a plazmidmi, ako aj absorbovaných z vonkajšieho prostredia) riadený reštrikčne-modifikačným systémom. Eukaryoty tento systém nemajú, namiesto toho iné mechanizmy genetickej izolácie spojené s funkciou sexuálnej reprodukcie (Gusev a Mineeva, 1992). Predpokladáme, že vo vývoji NCC bolo obdobie (s najväčšou pravdepodobnosťou krátkodobé), keď staré, prokaryotické bariéry voči cudzím génom boli oslabené a nové, eukaryotické, ešte nefungovali v plnej sile. Počas tohto obdobia bol NCC destabilizovaným kmeňom s výrazne oslabenými mechanizmami genetickej izolácie. Okrem toho zrejme krok za krokom vyvinul ďalšie mechanizmy, ktoré zaisťovali intenzívnejšiu a kontrolovanejšiu rekombináciu. Je možné navrhnúť niekoľko takýchto mechanizmov:

1) Schopnosť perforovať bunkové membrány iných prokaryotov a vysávať ich obsah (ozvenou toho môžu byť eukaryotické domény bakteriálneho pôvodu spojené s virulenciou patogénnych baktérií a perforáciou membrány, napr. už spomínaná doména MAC/Perforin );

2) Vývoj nových foriem výmeny genetického materiálu medzi blízkymi príbuznými bunkami (možno vrátane tvorby cytoplazmatických mostíkov medzi bunkami či dokonca ich fúzie – kopulácie). To by mohlo súvisieť s „náhradou“ archeálnych membrán bakteriálnymi a objavením sa membránových sterolov.

3) Fagocytóza sa mohla vyvinúť ako ďalšie zdokonalenie predácie na základe novej membránovej štruktúry.

4) Prechod z jedného kruhového chromozómu na niekoľko lineárnych by mohol súvisieť s aktiváciou rekombinačných procesov.

5) Na základe jedinej (aj keď takmer tak komplexnej ako v eukaryotoch) archaálnej RNA polymerázy by vývoj troch typov eukaryotických RNA polymeráz zodpovedných za čítanie rôznych skupín génov mohol byť spôsobený naliehavou potrebou zachovať integritu nestabilného, rýchlo sa meniaci chimérický genóm.

6) Podobnými potrebami mohol byť spôsobený aj vznik jadrového obalu, ktorý spočiatku mohol fungovať ako filter, ktorý pomáhal obmedziť a zefektívniť tok génov z cytoplazmy, kam padali cudzie bunky zachytené fagocytózou.

Samozrejme, toto všetko sú len špekulácie. Pozornosť si však zasluhuje samotná skutočnosť, že najdôležitejšie charakteristické črty eukaryotov (štruktúra membrán, fagocytóza, lineárne chromozómy, diferencované RNA polymerázy, jadrový obal) možno vysvetliť z hľadiska navrhovaného modelu, t.j. ako vznikajúce v súvislosti s aktiváciou rekombinačných procesov v NCC. Všimnite si tiež, že inkorporácia významnej časti plastidových a mitochondriálnych génov do jadrového genómu (proces, ktorý pokračuje dodnes, najmä v rastlinách) (Dyall et al., 2004) potvrdzuje prítomnosť zodpovedajúcich mechanizmov v eukaryotoch.

Prečo sa Archaea stala ústrednou organizačnou zložkou NCC? Zdá sa, že molekulárne informačné systémy archaea (replikácia, transkripcia, preklad, organizácia a modifikácia NC) boli spočiatku plastickejšie a stabilnejšie ako systémy baktérií, čo umožnilo archeám prispôsobiť sa najextrémnejším biotopom.

Systémy spracovania, intróny a zložitejšie RNA polymerázy, ktoré chýbajú v baktériách, ale sú prítomné v archeách a eukaryotoch, zjavne naznačujú zložitejší, dokonalejší a kontrolovanejší mechanizmus transkripcie (inteligentnejšie a čitateľnejšie čítanie genetickej informácie). Takýto mechanizmus sa zrejme ľahšie adaptoval na rôzne „núdzové situácie“, medzi ktoré patrí okrem vysokej teploty, slanosti a kyslosti aj oslabenie bariér, ktoré bránia začleneniu cudzích génov do genómu.

Takáto špecifická evolučná stratégia, ktorú predpokladáme pre NCC v ére pred získaním mitochondrií, mohla vzniknúť a existovať len v extrémne nestabilných, krízových podmienkach, kedy bola na prežitie potrebná najvyššia miera variability a aktívne evolučné „experimentovanie“. Podobné podmienky zrejme nastali aj v dočasnej blízkosti prelomu archejských a proterozoických období. O možnej súvislosti týchto krízových udalostí so vznikom eukaryotov sme písali už skôr (Markov, v tlači).

Keďže najstaršie fosílie sterolov sa našli v sedimentoch starých 2,7 miliardy rokov (Brocks et al., 1999), možno predpokladať, že mnohé dôležité míľniky vo vývoji JCC boli prekonané dávno pred koncom archejskej éry.

Pôvod eukaryotov ako prirodzený výsledok evolúcie prokaryotických spoločenstiev.

Je zrejmé, že všetky hlavné štádiá tvorby eukaryotickej bunky sa mohli uskutočniť iba v komplexnej a vysoko integrovanej prokaryotickej komunite, ktorá zahŕňala rôzne typy auto- a heterotrofných mikróbov. Získané údaje sú v súlade so všeobecne uznávaným názorom, že dôležitou hybnou silou v procese eukaryotickej intergácie bolo zvýšenie koncentrácie molekulárneho kyslíka spojené s prechodom cyanobaktérií z bezkyslíkatej na kyslíkovú fotosyntézu.

Predpokladáme, že „rodové spoločenstvo“ eukaryotov pozostávalo minimálne z troch vrstiev. V hornej žili sinice (medzi ktoré patrili aj predkovia plastidov), ktoré na fotosyntézu využívali svetelné vlny dlhé až 750 nm. Tieto vlny majú malú prenikavú silu, takže udalosti sa museli odvíjať v plytkej vode. Pôvodne donorom elektrónov nebola voda, ale redukované zlúčeniny síry, predovšetkým sírovodík. Ako vedľajší produkt sa do životného prostredia dostávali produkty oxidácie sírovodíka (síra a sírany).

Druhú vrstvu obývali fialové fotosyntetické baktérie, vrátane alfaproteobaktérií, predchodcov mitochondrií. Fialové baktérie využívajú svetlo s vlnovými dĺžkami väčšími ako 750 nm (väčšinou červené a infračervené). Tieto vlny majú lepšiu prenikavosť, takže môžu ľahko prechádzať vrstvou siníc. Aj teraz fialové baktérie zvyčajne žijú vo vodných útvaroch pod viac-menej hrubou vrstvou aeróbnych fotosyntetík (sinice, riasy, vyššie rastliny) (Fedorov, 1964). Fialové alfaproteobaktérie zvyčajne používajú ako donor elektrónov sírovodík, ktorý ho oxiduje na síran (a to nevyžaduje molekulárny kyslík).

Tretiu vrstvu obývali nefotosyntetické baktérie a archaea. Medzi nimi by mohli byť rôzne fermentujúce baktérie, ktoré spracovávajú organickú hmotu produkovanú fotosyntézou; niektoré z nich uvoľnili vodík ako jeden z konečných produktov fermentácie. Vznikol tak základ pre existenciu sulfát-redukujúcich baktérií a archeí (redukujú sírany na sulfidy pomocou molekulárneho vodíka a preto predstavujú užitočný „doplnok“ ku spoločenstvu anoxických sulfid pohlcujúcich fotosyntetík), pre metanogénne archaea (redukujú oxid uhličitý na metán) a iné anaeróbne formy života. Medzi archaea, ktoré tu žili, patrili aj predkovia YaCC.

Spoločenstvo podobné tomu opísanému vyššie by mohlo existovať v dobre osvetlenej plytkej vode pri priemernej teplote 30-40 0 C. Práve táto teplota je optimálna pre veľkú väčšinu prokaryotov, vrátane skupín, ktoré boli súčasťou tohto spoločenstva . Názor, že pôvod eukaryotov súvisí s extrémne teplomilnými biotopmi, vznikol preto, že prvým prokaryotickým organizmom, v ktorom sa históny našli, bola archaea Thermoplasma acidophila, acidothermophila. To naznačuje, že výskyt histónov (jeden z dôležitých charakteristických znakov eukaryotov) bol spojený s adaptáciou na vysoké teploty. Históny sa teraz našli v mnohých archaeách s veľmi rozdielnou ekológiou. V súčasnosti nie je dôvod domnievať sa, že teplota v „primárnom biotope“ eukaryotov bola nad 30-40 stupňov. Táto teplota sa javí ako optimálna pre väčšinu eukaryotických organizmov. Nepriamo to potvrdzuje aj fakt, že práve takúto teplotu si pre seba „zvolili“ tie eukaryoty, ktorým sa podarilo dosiahnuť úroveň organizácie dostatočnú na prechod k homoiotermii. Biotop „rodovej komunity“ mohol byť z času na čas prehriaty, o čom svedčí retencia niekoľkých bakteriálnych domén hit-shock a archaálnych proteínov zapojených do post-transkripčných modifikácií tRNA v eukaryotoch. Náchylnosť na periodické prehrievanie je v súlade s predpokladom plytkého „rodového biotopu“ eukaryotov.

Prokaryotická komunita typu opísaného vyššie môže zostať celkom stabilná, kým nebude podkopaná jej základňa zdrojov.

Krízové ​​premeny sa začali prechodom siníc na kyslíkovú fotosyntézu. Podstatou premeny bolo, že sinice začali ako donor elektrónov využívať vodu namiesto sírovodíka (Fedorov, 1964). Možno to bolo spôsobené poklesom koncentrácie sírovodíka v oceáne. Prechod na využívanie takého takmer neobmedzeného zdroja, akým je voda, otvoril pre sinice veľké evolučné a ekologické možnosti, no mal aj negatívne dôsledky. Namiesto síry a síranov sa počas fotosyntézy začal uvoľňovať molekulárny kyslík – mimoriadne toxická látka a zle kompatibilná s najstarším pozemským životom.

Ako prví čelili toxickému účinku kyslíka jeho priami producenti – sinice. Pravdepodobne ako prví vyvinuli prostriedky na ochranu pred novým jedom. Elektrónové transportné reťazce vytvorené pre fotosyntézu sa upravili a začali slúžiť na aeróbne dýchanie, ktorého pôvodným účelom zrejme nebolo získavanie energie, ale len neutralizácia molekulárneho kyslíka a veľké množstvo organickej hmoty sa spotrebovalo (zoxidovalo) na toto. Enzymatické systémy fixácie dusíka, ktorým škodí najmä pôsobenie kyslíka, boli „ukryté“ v špecializovaných bunkách – heterocystách, chránené hrubou membránou a nefotosyntetizujúce.

Čoskoro si obyvatelia druhej vrstvy komunity – fialové baktérie – museli vyvinúť podobné obranné systémy. Rovnako ako sinice vytvárali enzýmové komplexy aeróbneho dýchania na báze fotosyntetických elektrónových transportných reťazcov. Boli to fialové alfaproteobaktérie, ktoré vyvinuli najdokonalejší dýchací reťazec, ktorý dnes funguje v mitochondriách všetkých eukaryotov. V tej istej skupine sa zrejme po prvýkrát vytvoril uzavretý cyklus trikarboxylových kyselín - najúčinnejšia metabolická dráha pre úplnú oxidáciu organickej hmoty, ktorá umožňuje extrahovať maximum energie (Gusev, Mineeva, 1992) . V živých fialových baktériách sú fotosyntéza a dýchanie dva alternatívne energetické metabolizmus, ktoré zvyčajne fungujú v protifáze. V bezkyslíkatých podmienkach tieto organizmy fotosyntetizujú a v prítomnosti kyslíka dochádza k potlačeniu syntézy látok potrebných na fotosyntézu (bakteriochlorofylov a enzýmov Calvinovho cyklu) a bunky prechádzajú na heterotrofnú výživu založenú na kyslíkovom dýchaní. Mechanizmy tohto „prepínania“ sa zrejme formovali už v uvažovanej epoche.

V tretej vrstve komunity musel výskyt voľného kyslíka spôsobiť vážnu krízu. Metanogénne, sírany redukujúce a iné formy, ktoré využívajú molekulárny vodík pomocou enzýmov hydrogenázy, nemôžu existovať za aeróbnych podmienok, pretože kyslík má na hydrogenázy inhibičný účinok. Mnohé baktérie produkujúce vodík zase nemôžu rásť v prostredí, kde nie sú žiadne mikroorganizmy využívajúce vodík (Zavarzin, 1993). Zdá sa, že medzi fermentormi si komunita zachovala formy, ktoré ako konečné produkty emitujú nízko organické zlúčeniny, ako je pyruvát, laktát alebo acetát. Tieto fermentory vyvinuli niektoré špeciálne prostriedky na ochranu pred kyslíkom a stali sa fakultatívnymi anaeróbmi alebo mikroaerofilmi. Medzi preživšími boli aj Archaea, predkovia YaCC. Možno sa najskôr „ukrývali“ v najnižších obzoroch komunity, pod vrstvou tulákov. Nech bol ich metabolizmus pôvodne akýkoľvek, v nových podmienkach už neposkytoval podporu života. Preto bol čoskoro úplne nahradený a v moderných eukaryotoch po ňom nezostali žiadne stopy. Nedá sa vylúčiť, že pôvodne išlo o metanogénne formy, pretože sú medzi modernými archeami najkoenofilnejšie (predovšetkým kvôli závislosti od molekulárneho vodíka produkovaného fermentormi) a predchodca NCC musel byť nepochybne obligátnym coenofilom. Metanogenéza je najbežnejším typom energetického metabolizmu v moderných archaeách a nenachádza sa v ďalších dvoch superkráľovstvách.

Možno práve v tomto krízovom momente nastala kľúčová udalosť – oslabenie genetickej izolácie u predkov NCC a začiatok rýchleho evolučného experimentovania. Predkovia NCC (pravdepodobne prešli na aktívnu predáciu) inkorporovali génové komplexy rôznych fermentorov, kým nenahradili významnú časť archaálnej „periférie“ a sami sa nestali mikroaerofilnými fermentormi, fermentujúcimi sacharidy pozdĺž Embden-Meyerhof-Parnasovej glykolytickej dráhy na pyruvát a mliečnu. kyseliny. Všimnite si, že moderné aeróbne archaea zjavne pochádzajú z metanogénov a získali enzýmové systémy potrebné na dýchanie kyslíka pomerne neskoro, pričom laterálny prenos génov z aeróbnych baktérií v tom zohráva dôležitú úlohu (Brochier et al., 2004).

V tomto období sa v NCC zjavne zmenili membrány (z „archaálnych“, obsahujúcich estery terpenoidných kyselín, na „bakteriálne“, na báze esterov mastných kyselín), objavili sa membránové steroly a základy aktín-tubulínového cytoskeletu. Vytvorili sa tak potrebné predpoklady pre rozvoj fagocytózy a získanie endosymbiontov.

Vo fosílnom zázname možno začiatok opísaných dejov spojených so vznikom kyslíkovej fotosyntézy a uvoľnením niekoľkých skupín baktérií z aktívneho cyklu síry pravdepodobne poznačiť viac či menej prudkými výkyvmi v obsahu sulfidov a síranov. v biogénnych sedimentoch, najmä v stromatoloch. Takéto markery by sa mali hľadať vo vrstvách starších ako 2,7 Ga, pretože objaveniu sa sterolov museli predchádzať poruchy v cykle síry.

Vznik molekulárneho kyslíka teda zmenil štruktúru „spoločenstva predkov“. Obyvatelia tretej vrstvy spoločenstva – mikroaerofilní, schopní fagocytózy, uvoľňujúci laktát a pyruvát NCC – teraz priamo kontaktovali nových obyvateľov druhej vrstvy – aeróbne alfaproteobaktérie, ktoré nielenže vyvinuli účinné prostriedky na ochranu pred kyslíkom, ale sa tiež naučili, ako ho použiť na získanie energie prostredníctvom respiračného elektrónového transportného reťazca a cyklu trikarboxylových kyselín. Metabolizmus NCC a aeróbnych alfaproteobaktérií sa tak stal komplementárnym, čo vytvorilo predpoklady pre symbiózu. Okrem toho samotná topografická poloha alfaproteobaktérií v komunite (medzi hornou vrstvou uvoľňujúcou kyslík a spodnou mikroaerofilnou vrstvou) predurčila ich úlohu ako „obrancov“ NCC pred prebytkom kyslíka.

Pravdepodobne boli NCC požité a získané ako endosymbionty mnohých rôznych baktérií. Aktívne experimentovanie tohto druhu stále pokračuje v jednobunkových eukaryotoch, ktoré majú obrovské množstvo intracelulárnych symbiontov (Duval a Margulis, 1995; Bernhard et al., 2000). Zo všetkých týchto experimentov sa spojenie s aeróbnymi alfaproteobaktériami ukázalo ako najúspešnejšie a otvorilo obrovské evolučné vyhliadky pre nové symbiotické organizmy.

Prvýkrát po získaní mitochondrií zrejme došlo k masívnemu prenosu endosymbiontných génov do centrálneho genómu NCC (Dyall et al., 2004). Tento proces bol zjavne založený na mechanizmoch inkorporácie cudzieho genetického materiálu, ktorý sa vyvinul v NCC počas predchádzajúceho obdobia. Veľmi zaujímavé sú nedávne údaje naznačujúce, že prenos mitochondriálnych génov do jadrového genómu by mohol prebiehať v celých veľkých blokoch (Martin, 2003), t.j. tak ako podľa našich predpokladov k inkorporácii cudzích génov jadrovo-cytoplazmatickým komponentom došlo ešte pred získaním mitochondrií. Ďalší možný mechanizmus pre inkorporáciu génu do centrálneho genómu NCC zahŕňal reverznú transkripciu (Nugent a Palmer, 1991).

Všetky navrhované transformácie NCC, až po získanie endosymbiontov alfaproteobaktérií, by sa sotva mohli uskutočniť pomaly, postupne a na rozsiahlych územiach. Skôr sa udiali celkom rýchlo a lokálne, lebo organizmy (NKC) boli v tom čase v extrémne nestabilnom stave - štádiu destabilizácie (Rautian, 1988). Je možné, že k návratu do evolučne stabilného stavu a obnove izolačných bariér došlo krátko po získaní mitochondrií, a to len v línii NCC, v ktorej táto najúspešnejšia symbióza vznikla. Všetky ostatné línie s najväčšou pravdepodobnosťou rýchlo vymreli.

Získaním mitochondrií sa z eukaryotov stali úplne aeróbne organizmy, ktoré teraz mali všetky potrebné predpoklady na realizáciu posledného aktu integrácie – získanie plastidov.

Záver

Porovnávacia analýza proteínových domén v troch superkráľovstvách (Archaea, Bacteria, Eukaryota) potvrdzuje symbiogenetickú teóriu pôvodu eukaryotov. Eukaryoty zdedili mnohé kľúčové zložky nukleocytoplazmatických informačných systémov od archaea. Bakteriálne endosymbionty (mitochondrie a plastidy) veľkou mierou prispeli k tvorbe metabolických a signálno-regulačných systémov nielen v organelách, ale aj v cytoplazme. Ešte pred získaním endosymbiontov však archeia, predkovia nukleocytoplazmy, získali mnoho proteínových komplexov s metabolickými a signálno-regulačnými funkciami laterálnym prenosom z rôznych baktérií. V evolúcii predkov nukleocytoplazmy zrejme nastalo obdobie destabilizácie, počas ktorého sa prudko oslabili izolačné bariéry. Počas tohto obdobia došlo k intenzívnemu zapracovaniu cudzieho genetického materiálu. „Spúšťačom“ reťazca udalostí, ktoré viedli k vzniku eukaryotov, bola kríza prokaryotických spoločenstiev spôsobená prechodom siníc na kyslíkovú fotosyntézu.

Bibliografia

Gusev M.V., Mineeva L.A. Mikrobiológia. Tretia edícia. M.: Vydavateľstvo Moskovskej štátnej univerzity, 1992.

Domaradský I.V. Molekulárne biologické základy variability Helicobacter pylori // Journal of Microbiology, 2002, č. 3, s. 79-84.

Zavarzin G.A. Vývoj mikrobiálnych spoločenstiev v dejinách Zeme // Problémy predantropogénneho vývoja biosféry. M.: Nauka, 1993. S. 212-222.

Litoshenko A.I. Evolúcia mitochondrií // Tsitol. genetika. 2002. V. 36. Číslo 5. S. 49-57.

Margelis L. 1983. Úloha symbiózy v evolúcii buniek. M.: Mir. 352 s.

Markov A.V. Problém pôvodu eukaryotov // Paleontol. časopis V tlači.

Rautian A.S. Paleontológia ako zdroj informácií o zákonitostiach a faktoroch evolúcie // Moderná paleontológia. M.: Nedra, 1988. V.2. s. 76-118.

Fedorov V.D. Modrozelené riasy a vývoj fotosyntézy // Biológia modrozelených rias. 1964.

Bernhard J.M., Buck K.R., Farmer M.A., Bowser S.S. Povodie Santa Barbara je oázou symbiózy // Príroda. 2000. V. 403. Číslo 6765. S. 77-80.

Brocks J.J., Logan G.A., Buick R., Summons R.E. Archeovské molekulárne fosílie a skorý vzostup eukaryotov // Veda. 1999. V. 285. Číslo 5430. S. 1025-1027.

Brochier C., Forterre P., Gribaldo S. Archaálna fylogenéza založená na proteínoch transkripčných a translačných strojov: riešenie paradoxu Methanopyrus kandleri // Genome Biol. 2004.V.5. č. 3. P. R17.

Canback B., Andersson S.G.E., Kurland, C.G. Globálna fylogenéza glykolytických enzýmov // Proc. Natl. Akad. sci. U. S. A. 2002. č. 99. P. 6097-6102.

Cavalier-Smith T. Neomuránsky pôvod archaebaktérií, negibakteriálny koreň univerzálneho stromu a bakteriálna megaklasifikácia // Int. J. Syst. Evol. microbiol. 2002. Číslo 52. Pt 1. S. 7-76.

Coulson R.M., Enright A.J., Ouzounis C.A. Proteínové rodiny spojené s transkripciou sú primárne špecifické pre taxóny // Bioinformatika. 2001. V.17. č. 1. S. 95-97.

Dohlen C.D., von, Kohler S., Alsop S.T., McManus W.R. Beta-proteobakteriálne endosymbionty Mealybug obsahujú gama-proteobakteriálne symbionty // Príroda. 2001. V. 412. N 6845. S. 433-436.

Dolan M.F., Melnitsky H., Margulis L., Kolnicki R. Proteíny pohyblivosti a pôvod jadra // Anat. Rec. 2002. N 268. S. 290-301.

Duval B., Margulis L. Mikrobiálna komunita všestranných kolónií Ophrydium: endosymbionti, obyvatelia a nájomníci // Symbióza. 1995. N 18. S. 181-210.

Dyall S.D., Brown M.T., Johnson P.J. Staroveké invázie: Od endosymbiontov po organely // Veda. 2004. V. 304. N 5668. S. 253-257.

Dyall S.D., Johnson P.J. Pôvod hydrogenozómov a mitochondrií: evolúcia a biogenéza organel // Curr. Opin. microbiol. 2000. V. 3. N 4. S. 404-411.

Ent F., van den, Amos L.A., Löwe J. Prokaryotický pôvod aktínového cytoskeletu // Príroda. 2001. V. 413. N 6851. S. 39-44.

Esser C., Ahmadinejad N., Wiegand C. a kol. Fylogenéza genómu pre mitochondrie medzi alfa-proteobaktériami a prevažne eubakteriálny pôvod kvasinkových jadrových génov // Mol. Biol. Evol. 2004. V. 21. N 9. P.1643-1660.

Feng D.F., Cho G., Doolittle R.F. Určenie časov divergencie pomocou proteínových hodín: Aktualizácia a prehodnotenie // Proc. Natl. Akad. sci. USA. 1997. V. 94. S. 13028-13033.

Gabaldun T., Huynen M.A. Rekonštrukcia protomitochondriálneho metabolizmu // Veda. 2003. V. 301. N 5633. S. 609.

Grey M.W., Burger G., Lang B.F. Mitochondriálna evolúcia // Veda. 1999. V. 283. N 5407. S. 1476-1481.

Gupta R.S. Proteínové fylogenie a signatúrne sekvencie: Prehodnotenie evolučných vzťahov medzi archaebaktériami, eubaktériami a eukaryotmi // Prehľady mikrobiológie a molekulárnej biológie. 1998. V. 62. N 4. S. 1435-1491.

Guerrero R., Pedros-Alio C., Esteve I. a kol. Dravé prokaryoty: predácia a primárna spotreba sa vyvinuli v baktériách // Proc. Nat. Akad. sci. USA. 1986. N 83. S. 2138-2142.

Hartman H., Fedorov A. Pôvod eukaryotickej bunky: genómový výskum // Proc. Nat. Akad. sci. USA. 2002. V. 99. N 3. S. 1420-1425.

Helenius A., Aebi M. Intracelulárne funkcie N-viazaných glykánov // Veda. 2001. V. 291. N 5512. S. 2364-2369.

Jenkins C., Samudrala R., Anderson I. a kol. Gény pre cytoskeletálny proteín tubulín v bakteriálnom rode Prosthecobacter. //Proc. Natl. Akad. sci. USA 2002. V. 99. N 26. S. 17049-17054.

Kurland C.G., Andersson S.G.E. Pôvod a vývoj mitochondriálneho proteómu // Prehľady mikrobiológie a molekulárnej biológie. 2000. V. 64. N. 4. S. 786-820.

Margulis L., Bermudes D. Symbióza ako mechanizmus evolúcie: stav teórie bunkovej symbiózy // Symbióza. 1985. N 1. P. 101-124.

Margulis L., Dolan M.F., Guerrero R. Chimérický eukaryot: pôvod jadra z karyomastigontu v amitochondriátnych protistoch // Proc. Natl. Akad. sci. USA 2000. V. 97. N 13. S. 6954-6959.

Martin W. Prenos génov z organel do jadra: Častý a vo veľkých kúskoch // Proc. Natl. Akad. sci. USA. 2003. V. 100. N 15. S. 8612-8614.

Martin W., Muller M. Vodíková hypotéza pre prvé eukaryoty // Príroda. 1998. N 392. S.37-41.

Martin W., Russell M.J. O pôvode buniek: hypotéza evolučných prechodov od abiotickej geochémie k chemoautotrofným prokaryotom a od prokaryotov k bunkám s jadrom // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. biol. sci. 2003. V. 358. N 1429. S. 59-85.

Martin W, Schnarrenberger C. Evolúcia Calvinovho cyklu od prokaryotických po eukaryotické chromozómy: prípadová štúdia funkčnej redundancie v starovekých cestách prostredníctvom endosymbiózy // Curr Genet. 1997. V. 32. N 1. S. 1-18.

Mayer F. Cytoskelety v prokaryotoch // Bunka. Biol. Int. 2003. V. 27. N 5. S. 429-438.

Ng W.V., Kennedy S.P., Mahairas G.G. a kol. Genómová sekvencia Halobacterium species NRC-1 // Proc. Natl. Akad. sci. USA 2000. V. 97. N 22. S. 12176-12181.

Noon K.R., Guymon R., Crain P.F. a kol. Vplyv teploty na modifikáciu tRNA v archaea: Methanococcoides burtonii (optimálna teplota rastu, 23 stupňov C) a Stetteria hydrogenophila (Topt, 95 stupňov C) // J. Bacteriol. 2003. V. 185. N 18. S. 5483-5490.

Nugent J.M., Palmer J.D. RNA-sprostredkovaný prenos génu coxII z ​​mitochondrií do jadra počas evolúcie kvitnúcej rastliny // Bunka. 1991. V. 66. N 3. S. 473-481.

Slesarev A.I., Belova G.I., Kozyavkin S.A., Lake J.A. Dôkaz skorého prokaryotického pôvodu histónov H2A a H4 pred objavením sa eukaryotov // Nucleic Acids Res. 1998. V. 26. N 2. S. 427-430.

Theissen U., Hoffmeister M., Grieshaber M., Martin W. Jediný eubakteriálny pôvod eukaryotického sulfidu: chinónoxidoreduktáza, mitochondriálny enzým zachovaný z ranej evolúcie eukaryotov počas anoxických a sulfidických čias // Mol. Biol. Evol. 2003. V. 20. N 9. S. 1564-1574.

Vellai T., Takacs K., Vida G. Nový aspekt vzniku a vývoja eukaryotov // J. Mol. Evol. 1998. V. 46. N 5. S. 499-507.

Vellai T., Vida G. Pôvod eukaryotov: rozdiel medzi prokaryotickými a eukaryotickými bunkami // Proc. R. Soc. Lond. B Biol. sci. 1999. V. 266. N 1428. S. 1571-1577.

Walden W.E. Od baktérií k mitochondriám: Akonitáza prináša prekvapenia // Proc. Natl. Akad. sci. U. S. A. 2002. č. 99. S. 4138-4140.

Ďalej budú "domény archaálneho pôvodu" konvenčne nazývané domény, ktoré sú prítomné v eukaryotoch a archaeách, ale chýbajú v baktériách. V súlade s tým sa domény prítomné v baktériách a eukaryotoch, ale neprítomné v archaea, budú označovať ako "domény bakteriálneho pôvodu".

Doba rozkvetu eukaryotov na Zemi začala asi pred 1 miliardou rokov, hoci prvé z nich sa objavili oveľa skôr (možno pred 2,5 miliardami rokov). Pôvod eukaryotov by mohol súvisieť s núteným vývojom prokaryotických organizmov v atmosfére, ktorá začala obsahovať kyslík.

Symbiogenéza - hlavná hypotéza pôvodu eukaryotov

Existuje niekoľko hypotéz o spôsoboch vzniku eukaryotických buniek. Najpopulárnejší - symbiotická hypotéza (symbiogenéza). Eukaryoty podľa nej vznikli ako výsledok spojenia v jednej bunke rôznych prokaryotov, ktoré najskôr vstúpili do symbiózy, a potom sa čoraz špecializovanejšie stávali organelami jediného organizmu-bunky. Minimálne mitochondrie a chloroplasty (vo všeobecnosti plastidy) majú symbiotický pôvod. Vyvinuli sa z bakteriálnych symbiontov.

Hostiteľská bunka by mohla byť relatívne veľká anaeróbna heterotrofná prokaryota podobná amébe. Na rozdiel od iných mohol získať schopnosť živiť sa fagocytózou a pinocytózou, čo mu umožnilo zachytiť ďalšie prokaryoty. Všetky neboli strávené, ale dodávali majiteľovi produkty svojej životne dôležitej činnosti). Z nej zasa prijímali živiny.

Mitochondrie sa vyvinuli z aeróbnych baktérií a umožnili hostiteľskej bunke prejsť na aeróbne dýchanie, ktoré je nielen oveľa efektívnejšie, ale zároveň uľahčuje existenciu v atmosfére obsahujúcej dostatočne veľké množstvo kyslíka. V takomto prostredí získavajú aeróbne organizmy výhodu oproti anaeróbnym.

Neskôr sa v niektorých bunkách usadili prastaré prokaryoty podobné živým modrozeleným riasam (siniciam). Stali sa z nich chloroplasty, čím vznikla evolučná vetva rastlín.

Eukaryotické bičíky môžu mať okrem mitochondrií a plastidov aj symbiotický pôvod. Premenili sa na symbionty-baktérie ako moderné spirochéty s bičíkom. Predpokladá sa, že následne centrioly, také dôležité štruktúry pre mechanizmus delenia eukaryotických buniek, vznikli z bazálnych teliesok bičíkov.

Endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex, vezikuly a vakuoly môžu pochádzať z vonkajšej membrány jadrového obalu. Z iného pohľadu niektoré z uvedených organel mohli vzniknúť zjednodušením mitochondrií alebo plastidov.

V mnohých ohľadoch zostáva otázka pôvodu jadra nejasná. Mohol vzniknúť aj zo symbionta prokaryota? Množstvo DNA v jadre moderných eukaryot je mnohonásobne väčšie ako jej množstvo v mitochondriách a chloroplastoch. Možno sa časť genetickej informácie toho druhého nakoniec presunula do jadra. Aj v procese evolúcie došlo k ďalšiemu zvýšeniu veľkosti jadrového genómu.

Navyše v symbiotickej hypotéze pôvodu eukaryotov nie je s hostiteľskou bunkou všetko také jednoznačné. Možno to nebol jeden druh prokaryotov. Pomocou metód porovnávania genómu vedci dospeli k záveru, že hostiteľská bunka je blízko k archaea, pričom kombinuje vlastnosti archaea a množstvo nepríbuzných skupín baktérií. Z toho môžeme usúdiť, že vznik eukaryotov nastal v komplexnom spoločenstve prokaryotov. V tom istom čase sa proces s najväčšou pravdepodobnosťou začal metanogénnymi archaeami, ktoré vstúpili do symbiózy s inými prokaryotmi, čo bolo spôsobené potrebou života v kyslíkovom prostredí. Výskyt fagocytózy prispel k prílivu cudzích génov a jadro sa vytvorilo na ochranu genetického materiálu.

Molekulárna analýza ukázala, že rôzne eukaryotické proteíny pochádzajú z rôznych skupín prokaryotov.

Dôkazy o symbiogenéze

V prospech symbiotického pôvodu eukaryotov hovorí fakt, že mitochondrie a chloroplasty majú svoju DNA, navyše kruhovú a nesúvisiacu s proteínmi (to platí aj pre prokaryoty). Gény mitochondrií a plastidov však majú intróny, ktoré prokaryoty nemajú.

Plastidy a mitochondrie bunka nereprodukuje od začiatku. Vznikajú z už existujúcich podobných organel ich delením a následným rastom.

V súčasnosti existujú améby, ktoré nemajú mitochondrie, ale namiesto toho majú symbiontné baktérie. S jednobunkovými riasami žijú aj prvoky, ktoré v hostiteľskej bunke pôsobia ako chloroplasty.

Invaginačná hypotéza pôvodu eukaryotov

Okrem symbiogenézy existujú aj iné názory na pôvod eukaryotov. Napríklad, hypotéza invaginácie. Predchodcom eukaryotickej bunky podľa nej nebol anaeróbny, ale aeróbny prokaryot. Iné prokaryoty by sa mohli pripojiť k takejto bunke. Potom sa ich genómy spojili.

Jadro, mitochondrie a plastidy vznikli invagináciou a šnurovaním úsekov bunkovej membrány. Do týchto štruktúr sa dostala mimozemská DNA.

Komplikácia genómu nastala v procese ďalšieho vývoja.

Invaginačná hypotéza pôvodu eukaryot dobre vysvetľuje prítomnosť dvojitej membrány v organelách. Nevysvetľuje však, prečo je systém biosyntézy proteínov v chloroplastoch a mitochondriách podobný prokaryotickému systému, zatiaľ čo systém v jadrovo-cytoplazmatickom komplexe má kľúčové rozdiely.

Dôvody evolúcie eukaryotov

Všetka rozmanitosť života na Zemi (od prvokov po krytosemenné rastliny a cicavce) dala bunky eukaryotického, nie prokaryotického typu. Vynára sa otázka prečo? Je zrejmé, že množstvo funkcií, ktoré vznikli v eukaryotoch, výrazne zvýšilo ich evolučné schopnosti.

Po prvé, eukaryoty majú jadrový genóm, ktorý je mnohonásobne väčší ako množstvo DNA v prokaryotoch. Eukaryotické bunky sú zároveň diploidné, navyše určité gény sa v každej haploidnej sade mnohokrát opakujú. To všetko poskytuje na jednej strane veľký rozsah pre mutačnú variabilitu a na druhej strane znižuje hrozbu prudkého poklesu životaschopnosti v dôsledku škodlivej mutácie. Eukaryoty teda na rozdiel od prokaryotov majú rezervu dedičnej variability.

Eukaryotické bunky majú zložitejší mechanizmus regulácie vitálnej činnosti, majú podstatne viac odlišných regulačných génov. Okrem toho molekuly DNA tvorili komplexy s proteínmi, čo umožnilo zbaliť a rozbaliť dedičný materiál. Spolu to umožnilo čítať informácie po častiach, v rôznych kombináciách a množstvách, v rôznom čase. (Ak prokaryotické bunky prepisujú takmer všetky informácie o genóme, potom sa v eukaryotických bunkách prepíše zvyčajne menej ako polovica.) Vďaka tomu by sa eukaryoty mohli špecializovať, lepšie adaptovať.

U eukaryotov sa vyvinula mitóza a potom meióza. Mitóza umožňuje reprodukciu geneticky podobných buniek a meióza výrazne zvyšuje kombinačnú variabilitu, čo urýchľuje evolúciu.

Dôležitú úlohu v prosperite eukaryotov zohralo aeróbne dýchanie, ktoré získal ich predok (hoci ho má aj mnoho prokaryotov).

Na úsvite svojho vývoja získali eukaryoty elastickú membránu, ktorá poskytovala možnosť fagocytózy, a bičíky, ktoré im umožňovali pohyb. To umožnilo efektívnejšie stravovanie.