В Nature вышло исследование, пересматривающее историю происхождения эукариотов — огромных клеток, в тысячи раз крупнее бактерий, и разделенных мембранами на отсеки, в которых работают тысячи митохондрий и других органелл. А главное, у эукариотов есть ядро с предлинной молекулой ДНК в нем, упакованной в хромосомы. Длина нашей ДНК — пара метров, тогда как у крошечных прокариотов (бактерий и архей) — пара миллиметров. У нас все сложно, потому что мы — эукариоты.
Появление эукариотов, — наверное, одно из трех важнейших событий в биологической эволюции, наряду с появлением жизни и разума. Давно известно, что это произошло благодаря симбиозу, — универсальному методу эволюции для создания нового уровня сложности, эволюционных прорывов. Один прокариот стал жить в другом, постепенно теряя самостоятельность и становясь чем-то вроде органа (например, митохондрии) в клетке, ставшей его средой обитания.
Генетики, сравнивая гены разных существ, пришли к выводу, что речь идет не об одном симбиозе, а о долгом эволюционном пути. Про это выходит немало работ с тех пор, как Тони Габальдон в 2016 году предположил, что митохондрии появились довольно поздно в процессе возникновения эукариотов. Сейчас, благодаря гораздо большему объему доступных геномных данных и более мощным вычислительным инструментам, команда Габальдона смогла детально проанализировать, какие организмы оставили свой след в истории происхождения эукариотов.
Авторы объясняют, что занимаются «вычислительной молекулярной археологией», анализируя с помощью суперкомпьютеров геномные данные множества существ, охватывающие биоразнообразие в целом. Они тоже рассматривают появление эукариотов как долгую историю взаимодействия разных микроорганизмов, — но теперь в этой истории важную роль играют вирусы.
Исследование реконструирует геном последнего общего предка всех эукариотов, известного как LECA, Last Eukaryotic Common Ancestor, — не перепутайте этого Леку с Лукой (LUCA), последним общим предком всех современных живых существ. Авторы анализируют происхождение Леки, сравнивая его гены с генами десятков тысяч бактерий, архей и вирусов.
«Долго считалось, что в истории происхождения эукариотов два главных героя: архея и бактерия, давшая начало митохондрии. Но на сцене было больше действующих лиц, включая другие группы бактерий и гигантские вирусы. Мы пытались реконструировать события, происходившие миллиарды лет назад, поэтому были очень осторожны: сохранили только самые надежные сигналы, сопоставимые с теми, по которым определили предковую архею и бактерию, давшую начало митохондриям», — пишут авторы (про этих архею и бактерию у меня есть другой пост).
Исследователи выявили две группы генов, которые Лека в разное время получил от миксококков и планктомицетов. Гены первых связаны с метаболизмом и липидами для мембран, вторые тоже имеют отношение к мембранам: это бактерии, известные структурной сложностью, — у них есть внутренние отделы, что очень необычно для бактерий.
Предполагают, что Лека жил в среде, богатой микробными сообществами, — такой как микробные маты, где различные микроорганизмы сосуществуют слоями в различных химических условиях. Обмен генами позволял Леке со временем приобретать новые возможности, — сначала новые метаболические пути, потом мембранные системы, ядро и, наконец, митохондрии. А самым неожиданным результатом исследования стало выявление участия в этом обмене гигантских вирусов (их геномы содержат до 2,5 млн пар оснований, намного превосходя геномы других вирусов), — в частности, вируса Nucleocytoviricota.
Авторы пишут, что работа предлагает новый взгляд на ключевой эпизод в истории жизни. Хотя для нас с вами он не такой уж и новый, — мы уже не раз обсуждали роль вирусов (особенно гигантских) как ускорителей эволюции, — благодаря тому, что они переносят гены между разными ветвями эволюционного древа. Вирусы — тоже важный источник эволюционных прорывов, как и симбиозы. Мутации обычно только все портят, — а вот вирусы и симбиозы могут дать разным видам существ сразу большие куски кода, уже обкатанного эволюцией. Их роль источников крупных эволюционных прорывов похожа на роль гибридизации в видообразовании животных и растений, — и в эволюции человеческого рода. Пост про гигантские вирусы — с их фоточками
