Учёные сделали революционное открытие о генах предков сложных организмов

Появление сложных клеток не было результатом единственного слияния архей и бактерий, а представляло собой длительный процесс обмена генами, в который могли вовлекаться несколько групп бактерий и даже огромные вирусы

Современная концепция возникновения сложных клеток может оказаться слишком упрощенной. Международная команда исследователей пришла к выводу, что предки всех животных, растений, грибов и других эукариотических организмов формировались не в результате одного объединения археи и бактерии, как это принято считать, а в результате нескольких последовательных волн обмена генами между различными формами жизни.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Согласно общепринятой модели, около двух миллиардов лет назад одна архея поглотила бактерию из группы альфапротеобактерий. Со временем эта бактерия превратилась в митохондрию — клеточную структуру, отвечающую за выработку энергии. Это событие считается ключевым этапом в возникновении эукариот — сложных клеток, из которых состоят все многоклеточные организмы, включая человека.

Тем не менее, новый анализ демонстрирует, что эта история была значительно более запутанной.

Исследователи попытались восстановить генетический набор последнего общего предка всех современных эукариот. Для этого они выбрали геномы представителей различных ветвей эукариотического древа жизни, стараясь избежать предвзятости в сторону животных и других хорошо исследованных организмов. Затем ученые оставили только наиболее информативные группы генов и несколько раз повторили анализ с различными наборами данных для проверки устойчивости результатов.

Реконструкция продемонстрировала, что последний общий предок всех эукариот уже представлял собой довольно сложный организм. Он обитал в среде, насыщенной кислородом, получал энергию за счет потребления других организмов или их остатков и обладал множеством характерных черт современных сложных клеток.

У него уже имелись внутренние транспортные системы для перемещения веществ внутри клетки, структуры для расщепления белков, а также основные механизмы обмена веществ, репликации ДНК и синтеза РНК. Другими словами, многие черты современных клеток возникли еще до того, как эукариоты разделились на животных, растения, грибы и другие крупные группы.

Около трети выявленных групп генов оказались уникальными для эукариот и не имели известных аналогов среди бактерий или архей. Однако остальные гены позволили проследить происхождение различных компонентов будущего эукариотического генома.

Как и ожидалось, значительная часть наследия пришла от архей группы Asgard archaea, которые сегодня считаются ближайшими известными родственниками эукариот, а также от альфапротеобактерий — предков митохондрий. Тем не менее исследователи обнаружили примерно такой же вклад еще двух крупных бактериальных групп — Planctomycetota и Myxococcota.

Кроме того, следы в геноме оставили и другие бактерии. Неожиданным стало то, что вклад представителей вирусов из группы гигантских вирусов оказался более значительным, чем вклад любой отдельной дополнительной бактериальной линии.

Анализ также позволил оценить порядок возникновения различных генов. Самый ранний вклад был внесен археями. Затем последовала крупная волна переноса генов от бактерий еще до появления митохондрий. После формирования митохондрий произошла еще одна масштабная передача генетического материала от других бактерий.

По мнению авторов работы, такая картина хорошо соответствует сценарию, в котором ранние эукариоты возникали внутри густых микробных сообществ. В таких сообществах разные виды длительное время сосуществуют рядом друг с другом, активно обмениваются веществами и способны передавать друг другу гены.

Исследователи не исключают, что в истории возникновения эукариот могли иметь место и другие случаи эндосимбиоза — сценария, когда один организм поселяется внутри другого. Если такие события имели место, они могли исчезнуть без следа, оставив лишь отдельные гены в составе будущего эукариотического генома.

Авторы подчеркивают, что работа не ставит под сомнение ключевую роль происхождения митохондрий от бактерий. Вместо этого она демонстрирует, что переход от простых прокариотических клеток к сложным эукариотам, вероятно, был не единичным событием, а длительным и многоступенчатым процессом, в котором участвовало значительно больше форм жизни, чем предполагалось ранее.

Именно такая картина — постепенное формирование сложной клетки через множество генетических обменов и взаимодействий между различными организмами — может стать наиболее точным описанием одного из важнейших этапов эволюции жизни на Земле.

Источник