Kim jesteśmy? Skąd pochodzimy? - O genezie organizmów eukariotycznych, czyli też ludzi

15 stycznia bieżącego roku w czasopiśmie Nature został opublikowany artykuł, który przedstawia nową wizję wczesnej ewolucji organizmów jądrowych. Czy przedstawiony w nim obraz rzeczywiście jest aż tak rewolucyjny?

Kim jesteśmy? Skąd pochodzimy? - O genezie organizmów eukariotycznych, czyli też ludzi

Zacznijmy może od tego, czym tak naprawdę są eukarioty. Są to organizmy zarówno jedno-, jak i wielokomórkowe, których komórki zawierają między innymi jądro, w którego skład wchodzi DNA połączone z białkami i różnymi formami RNA oraz otoczka jądrowa będąca w gruncie rzeczy dwuwarstwą fosfolipidową z licznymi kanałami białkowymi charakterystycznymi właśnie dla tego organellum. Poza tym komórki eukariotyczne zawierają także inne otoczone błonami struktury, np. mitochondria, chloroplasty, lizosomy (pęcherzyki, w których rozkładane są białka), peroksysomy (pęcherzyki, w których rozkładane są kwasy tłuszczowe), wakuole (inaczej wodniczki) czy Aparat Golgiego.

dwa gatunki eukariotów - jelonek rogacz (Lucanus cervus) i dąb (Quercus sp.) autor: W. Rolfes

Do organizmów jądrowych zaliczamy m.in. zwierzęta, w tym ludzi, rośliny, grzyby, śluzowce, ameby, okrzemki, orzęski, które pełnią ważne role w ekosystemach jako producenci, drapieżnicy, roślinożercy czy saprobionty - organizmy rozkładające martwą materię organiczną na prostsze związki, ale również zarodźce będące groźnymi pasożytami powodującymi, np. malarię.

Wracając do głównego tematu artykułu, zespół naukowców, z których wyróżniają się Hiroyuki Imachi z Institute for Extra-cutting-edge Science and Technology Avant-garde Research (X-star) oraz Masaru K. Nobu z Bioproduction Research Institute, stworzył bioreaktor wzbogacany metanem w celu symulowania sztucznie warunków panujących na dnie oceanu, żeby móc badać archelony zasiedlające przydenne osady. Następnie przeprowadzono badanie składu białkowego błon archeonów z grupy Asgard i okazało się, że jest on bardzo podobny do eukariotycznego. Na bazie tej analizy wywodzi się eukarionty od tej właśnie grupy organizmów.

Prometheoarchaeum syntrophicum autor: Imachi, Nobu et al

Badacze ci odkryli całkowicie nową formę życia - archeona z grupy Lokiarchaeota o proponowanej nazwie systematycznej Prometheoarchaeum syntrophicum. Organizm ten żyje w osadach dennych w okolicach Nankai w symbiozie z bakteriami redukującymi siarczany. P. syntrophicum wytwarza wodór jako produkt uboczny rozkładu kwasów karboksylowych takich jak 2-oksobutanian czy pirogronian. Taka symbioza jest uznawana za pierwotną wersję symbiozy mitochondriów i plastydów z komórkami eukariotycznymi.

Zanim jednak opiszę nową promowaną przez Masaru K. Nobu i Hiroyukiego Imachi teorię eukariogenezy, przedstawię hipotezy dotychczas uznawane za najbardziej prawdopodobne w świecie nauki. Zacznę od hipotezy wirusowej eukariogenezy, według której jądro komórkowe powstało z ogromnej cząstki wirusowej, mitochondria i plastydy z bakterii a błona i cytoplazma pochodzą od archeona. Na korzyść tego poglądu przemawia obecność w komórkach eukariontów m.in. liniowego DNA, białek związanych z nim, np. histonów podobnych do białek, które są połączone z wirusowym DNA i pakują je szczelnie do kapsydu, sekwencji telomerowych, struktur cap w mRNA, złożonej błony połączonej z kapsydem oraz zdolności do uwalniania mRNA przez błonę do cytoplazmy jak w przypadku wirusa ospy prawdziwej. Za kolejny dowód na wirusową genezę eukariontów uznaje się obecność u nich płci i rozmnażania płciowego: gdyby dwa podobne, ale nieidentyczne wirusy zajęły dwie osobne komórki i miały wymienić się materiałem genetycznym, musiałby zajść proces, w wyniku którego zanikłoby jądro i materiał genetyczny obu wirusów zrekombinowałby, co jest bardzo podobne do procesów, które zachodzą podczas łączenia się gamet, np. plemnika i komórki jajowej.

komórka bakteryjna z typu Planctomycetes, widać obłonioną strukturę wewnątrz źródło: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs002030100280

Następna teoria mówi, że jądro powstało, kiedy metanogenny archeon pochłonął bakterię śluzową, z którą wcześniej mógł żyć w symbiozie. Ten model jest wspierany przez badania molekularne kinaz (enzymów katalizujących reakcję przeniesienia grupy fosforanowej z ATP, ADP, GTP, GDP, etc. na związek docelowy) i białek G (białka wiążące się z enzymami na błonie w celu ich aktywacji) tych prokariontów, a także fakt, że potrafią one tworzyć wielokomórkowe kolonie i są ruchliwe.

Kolejna hipoteza postuluje, że jądro nie powstało na drodze endocytozy a z wewnątrzkomórkowych struktur błonowych podobnych do tych u bakterii z typu Planctomycetes, które posiadają obłonione przedziały komórkowe służące większemu uporządkowaniu przestrzeni cytoplazmatycznej.

Ostatni scenariusz angażował czwartą, wymarłą domenę życia do eukariogenezy. Tzw. chronocyt miał być zaawansowaną komórką, która posiadała cytoszkielet, skomplikowane białka i systemy sygnalizacji komórkowej oraz cytoplazmę podzieloną na przedziały. Według tej hipotezy chronocyt pochłonął bakterie podobne do rodzaju Rickettsia, sinice i archeony, a w wyniku tego powstały mitochondria, chloroplasty i jądro.

Najnowszy model eukariogenezy zaproponowany przez Hiroyukiego Imachi i Masaru K. Nobu

Najnowsza teoria wysnuta po zbadaniu archeona Prometheoarchaeum syntrophicum zakłada, że LECA był organizmem tlenowym i na bazie tego mówi, że eukarionty powstały z archeona, który żył w symbiozie z bakterią siarkową pobierającą wytwarzany przez niego wodór. Bakteria ta jednak wytwarzała tlen jako produkt uboczny metabolizmu, a pierwiastek ten jest toksyczny dla organizmów beztlenowych. Prawdopodobnie wtedy tlen ten zaczęła wykorzystywać do własnych szlaków metabolicznych inna bakteria podobna do współczesnych riketsji. Symbioza między metanogenem a bakterią tlenową zacieśniała się, aż w końcu wypustki archeona całkiem ją unieruchomiły. Następnie błona przodka Prometheoarchaeum syntrophicum otoczyła całkiem bakterię, która znalazła się razem z chromosomem metanogena wewnątrz jednej komórki. Ostatnim etapem było powstanie kanałów dla ATP i jego transport od endocytowanej bakterii do reszty protoeukariota.

Który z tych modeli jest rzeczywiście najbardziej zgodny z prawdą być może nigdy się nie dowiemy, ale według obecnego stanu wiedzy jest to model Imachiego-Nobu. Nowsze odkrycia w tej i innych dziedzinach mogą go tylko potwierdzić albo mu zaprzeczyć.


Źródła:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1916-6#Sec5

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S002251930600213X?via%3Dihub

López-García P, Moreira D (May 2006). "Selective forces for the origin of the eukaryotic nucleus". BioEssays. 28 (5): 525–33. doi:10.1002/bies.20413. PMID16615090

Margulis L (1981). Symbiosis in Cell Evolution. San Francisco: W. H. Freeman and Company. pp. 206–227. ISBN978-0-7167-1256-5

zdjęcie tytułowe autorstwa Hiroyukiego Imachi, Masaru K. Nobu i JAMSTEC



Share Tweet Send
0 Komentarze
Loading...