Ученые смогли культивировать еще один вид асгардархей

Перевод: Alex Hiver
Редакция: Алексей Недосугов
Оформление: Cornu Ammonis
Публикация: 20.01.2023

Ученым удалось успешно вырастить в лаборатории микроорганизм, который является потенциальным родичем наших одноклеточных предков. Его внутреннее строение дает ключ к разгадке ранней эволюции эукариотических клеток.

Клетки животных, растений и грибов, содержащие ядро, называют эукариотическими; они возникли в ходе эволюции, путем слияния двух типов микроорганизмов — архей и бактерий — в ходе процесса, называемого эукариогенезом. Как именно это произошло, остается загадкой. Открытие последовательностей ДНК группы микробов, называемых асгардархеями, показало, что они являются лучшими кандидатами для линии архей, связанной с эукариогенезом [1]. Однако оказалось, что асгардархеи очень трудно выращивать в лаборатории. В своей статье в Nature Родригес-Оливьера с соавт. [2] сообщают об успешном культивировании асгардархеи Lokiarchaeum ossiferum, второго из выращенных в лаборатории. Prometheoarchaeum syntrophicum был первым таким микроорганизмом [3], однако некоторые детали внутриклеточной организации этих архей выяснить не удалось.

Клетки, описанные Родригесом-Оливьерой и его коллегами, имеют множество поверхностных выпячиваний и сужений (рис. 1), что предсказывает, возможно, самая убедительная теория эукариогенеза, называемая моделью «наизнанку» [4], согласно которой, эукариогенез происходил посредством поглощения бактерии клеточной мембраной клетки архей. Родригес-Оливьера с соавт. применили определение атомарной структуры больших молекул, изученных непосредственно в клетках с помощью электронной микроскопии, для идентификации Lokiarchaeum ossiferum в образцах культуры, обогащенной этими асгардархеями.
 

Рисунок 1 | Клетки асгардархей
а — Модель «наизнанку» [3] — гипотетическое описание того, как могли возникнуть эукариотические клетки (т.е., ядросодержащие клетки животных, растений и грибов). Согласно этой модели, они образовались, когда два типа микробных клеток — археи и бактерии — слились, и бактерия оказалась внутри археи посредством поглощения выступами клеточной мембраны последней. Представленное изображение основано на рисунках этих предполагаемых клеточных взаимодействий и сделано, когда была предложена модель [4].
b
— Родригес-Оливьера с соавт. [2] сообщают о культивировании в лабораторных условиях и визуализации клеток асгардархей, происхождение и эволюция которых тесно связаны с эукариотическими клетками. Эти клетки вида Lokiarchaeum ossiferum обладают выпячиваниями мембраны, что согласуется с моделью «наизнанку». Выявление филаментов, которые выглядят как филаменты F-актина в эукариотических клетках, показывает тесную эволюционную связь клеток архей с эукариотами. Архей удалось идентифицировать в образцах путем структурного анализа клеточного компонента — рибосомы.
c
— Наличие филаментов в мембранных выступах L. ossiferum перекликается с расположением аналогичных структур в эукариотических клетках.

Также авторы визуализировали внутриклеточные белки, которые очень похожи на ключевые филаменты F-актина эукариотической внутренней структуры — цитоскелета. Ранее ученые уже предполагали, что асгардархеи обладают более сложным цитоскелетом, чем у бактерий и других архей [5]. Тем не менее обнаружение этих филаментов в клетках — триумф, который стал возможен благодаря геномике, кропотливой микробиологии и развивающейся области структурной клеточной биологии, которая использует криоэлектронную томографию (крио-ЭТ). Разгадка тайны эукариогенеза, возможно, не так далека, как казалось раньше.

Эволюция сложных форм жизни из более простых является важной характеристикой биологии. Эукариоты — самые сложные многоклеточные организмы на Земле. В их клетках содержится ядро с ДНК, органеллы, обеспечивающие энергетические потребности клетки (например, митохондрии), внутриклеточная мембранная сеть, включающая эндоплазматический ретикулум и сложный цитоскелет, основой которого являются филаменты, состоящие из белков актина и тубулина. Происхождение митохондрий удалось проследить вплоть до группы бактерий, называемых альфа-протеобактериями [6]. Анализ с использованием филогенетического подхода демонстрирует, что клетка, поглотившая альфа-протеобактерии, вела свое происхождение от архей [7].

Открытие асгардархей всего семь лет назад [1] помогло выявить неэукариотические организмы, наиболее близкие по последовательности ДНК к эукариотам. На самом деле, родство оказалось настолько близким, что исключается возможность происхождения эукариот непосредственно от одной из линий асгардархей [5]. Или, другими словами, древо жизни может иметь только две основные ветви — бактерии и археи [7]. А мы, люди, всего лишь маленькая веточка на мощной архейной ветке.

Близость родства отражается в том, что асгардархеи обладают множеством эукариотических сигнатурных белков (ESP). Эти белки, которые выявляются исключительно у эукариот и часто связаны лишь с их процессами. В пример можно привести внутриклеточный трафик — перемещение молекулярных грузов между мембраносвязанными компартментами внутри клетки. Многие асгардархеи содержат эукариотические компоненты т.н. ESCRT-механизма (от англ. endosomal sorting complex required for transport — эндосомальный комплекс перестройки, необходимый для транспорта). Этот механизм задействован во внутриклеточном транспорте у эукариот, как и компоненты системы убиквитина, которые разрушают белки. Большинство асгардархей содержат белки цитоскелета, такие как актин и его модуляторы, сходные с теми, которые управляют движением клетки (и внутри клетки) у эукариот. Хотя бактерии и археи (не относящиеся к асгардархеям) также обладают цитоскелетом, они в меньшей степени связаны с эукариотическими цитоскелетами, а их модуляторы отличаются [8].

После открытия [1] Lokiarchaeota (первой известной асгардархеи), благодаря метагеномному подходу удалось выявить других представителей этой группы [9]. Удивительно, но эти организмы занимают экологические ниши, которые не являются ни экстремальными, ни уникальными, и гипотетически их удалось бы обнаружить гораздо раньше, учитывая тот факт, что они, по сути, распространены повсеместно. Почему же этого не случилось? Дело в том, что ученое сообщество даже не знало, что эти организмы существуют, потому что они немногочисленны, не связаны с развитием каких-либо болезней, а также характеризуются медленным ростом. Кажется, своим существованием они не сильно кому-то или чему-то мешают.

Много лет ушло на первое успешное культивирование асгардархей [3]. Prometheoarchaeum syntrophicum растет вместе с другими прокариотическими организмами (то есть с другими бактериями и археями, у которых отсутствует ядро) в составе системы, обеспечивающей общие питательные и другие преимущества (т.н. синтрофия). С помощью визуализационных методик удалось обнаружить, что эти клетки обладают выпячиваниями, окруженными мембраной (что служит поддержкой теории «наизнанку»), но выяснить что-то еще было невозможно.

Родригес-Оливьера с соавт. задались целью продвинуться далее. Начав с образца осадочного материала, в котором содержалось порядка 4 % асгардархей, авторы испробовали ряд способов для обогащения и культивирования этих организмов. При помощи среды с минимумом питательных веществ, антибиотиков, а также в обедненных кислородом (т.е. анаэробные) условиях, авторам, наконец, удалось вырастить колонию L. ossiferum до 80 % обогащения (т.е., данные микроорганизмы составляли до 80 % из всех организмов). Этот вид считается «быстрой» асгардархеей, однако затраченное время на их размножение и рост колонии (от 7 до 14 дней), говорит о трудностях, с которыми столкнулись исследователи. Примечательно, что L. ossiferum рос в синтрофии также и с другими видами, в том числе и с бактериями.

Наличие обогащенной культуры позволило секвенировать примерно шесть миллионов пар оснований генома L. ossiferum, в соответствии с высокими стандартами. Это очень важно, потому что всего несколько лет назад само существование асгардархей еще было под сомнением. Доказательств их жизнедеятельности найти не удавалось даже с использованием метагеномики, доступной в то время для секвенирования. Теперь от сомнений не осталось и следа.

Затем авторы изучили клетки L. ossiferum. Они слишком малы для большинства методов световой микроскопии, поэтому Родригес-Оливьера с соавт. воспользовались крио-ЭТ для создания трехмерного картирования клеток с молекулярным разрешением от 3 до 5 нанометров. Но как можно быть уверенным в том, какие клетки следует детально изучать в образце с множеством видов? Здесь работа приобретает особенно изобретательный вид деятельности. Авторы спроектировали структуру крупного клеточного компонента — рибосомы — чтобы определить, какие из клеток относятся к асгардархеям. На это указывают сегменты их рибосомальной РНК, которые и являются отличительным признаком. Это прекрасное практическое воплощение концепции визуальной протеомики, которое представляли исследователи почти двадцать лет назад [10].

Карты строения L. ossiferum позволяют раскрыть множество особенностей, которые не оставят ученых равнодушными. Клеточная мембрана характеризуется наличием множества выступов и не укреплена клеточной стенкой или какой-либо упорядоченной структурой поверхностной оболочки, а ее поверхность шероховатая, по всей видимости, из-за выступающих белков. ДНК заключена в теле клетки (т.е., в вышеупомянутых выступах молекул ДНК нет), что отлично согласуется с моделью «наизнанку». А благодаря картам удается рассмотреть множество филаментов как в телах клеток, так и в выступах (рис. 1). Используя крио-ЭТ и метод усреднения, авторам удалось идентифицировать структуру двойной спирали в филаментах, которая оказалась поразительно схожей со структурой эукариотических филаментов F-актина.

Тот факт, что вторая обнаруженная асгардархея также обладает выступами на поверхности, подтверждает теорию эукариогенеза «наизнанку». Локализация филаментов F-актина в L. ossiferum может указывать на то, что филаменты играют роль в формировании мембран, хотя это еще требует подтверждения.

Внутриклеточные мембраны обнаружить не удалось, что удивительно, учитывая присутствие ESP, чья функция тесно связана с динамикой [веществ и органелл] по внутриклеточным мембранам, как например, ферменты ГТФазы, белки Sec24 и ESCRT. Можно предположить, что роль ESP здесь в везикулярном транспорте внутрь клетки асгардархеи и наружу. Такой транспорт может быть необходим между самими клетками L. ossiferum и их синтрофными компаньонами, как предсказывает модель наизнанку. Эти белки могут также локально модулировать функционал мембраны, чтобы сформировать выпячивание.

Обнаружение синтрофии может указывать на то, что асгардархеи предпочитают или вынуждены вести «общественный» образ жизни. Это подразумевает, что слияние клеток среди них может часто встречаться. К примеру, можно было бы найти слияющиеся клетки, которые отличаются от тех, что привели к появлению эукариот: однако поиски ученых на этом пути еще недостаточны. Впереди предстоит также моделирование организмов-асгардархей с потенциалом для генетических и визуализационных работ. А пока что, авторы предлагают восхититься красотой нового, неведомого ранее микромира.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.