Evkarionti: zgodba o njegovem arhealnem poreklu

Tradicionalno razvrščanje življenjskih oblik v prokarionte in evkarionte je bilo spremenjeno leta 1977, ko je karakterizacija zaporedja rRNA razkrila, da so arheje (takrat imenovane 'arhebakterije') "tako oddaljeno povezane z bakterijami, kot so bakterije z evkarionti." To je zahtevalo razvrščanje živih organizmov v skupine. v evbakterije (vključuje vse tipične bakterije), arheje in evkarionte. Vprašanje izvora evkariontov je ostalo odprto. Sčasoma so se začeli zbirati dokazi v prid arhejskega prednika evkariontov. Posebej zanimiva je bila ugotovitev, da ima asgardska arheja v svojem genomu več sto genov za evkariontske podpisne proteine ​​(ESP). ESP igrajo ključno vlogo pri razvoju citoskeleta in značilnosti kompleksnih celičnih struktur evkariontov. V prelomni študiji, objavljeni 21. decembra 2022, so raziskovalci poročali o uspešnem gojenju obogatene kulture nedosegljivih asgardskih arhej, ki so jih posneli s krioelektronsko tomografijo. Opazili so, da imajo celice Asgarda zapleten citoskelet na osnovi aktina. To je bil prvi neposredni vizualni dokaz arhealnega porekla evkariontov, pomemben korak v razumevanju izvora evkariontov.  

Do leta 1977 so bile oblike življenja na Zemlji razvrščene v evkarioti (kompleksne oblike, za katere je značilna vključenost genetskega materiala celice v dobro definirano jedro in prisotnost citoskeleta) in prokarionti (preprostejše življenjske oblike z genetskim materialom v citoplazmi brez določenega jedra, vključno z bakterijami in arhebakterijami). Mislili so, da celični evkarioti se je razvil pred približno 2 milijardama let, verjetno iz prokariontov. Toda kako natančno so nastali evkarionti? Kako so kompleksne celične oblike življenja povezane s preprostejšimi celičnimi oblikami življenja? To je bilo veliko odprto vprašanje v biologiji.  

Tehnološki napredek v molekularni biologiji genov in beljakovin je pomagal poglobiti se v jedro vprašanja, ko so leta 1977 ugotovili, da so arheje (takrat imenovane 'arhebakterije')tako daleč povezana z bakterijami, kot so bakterije evkarioti".Prejšnje razlikovanje življenjskih oblik na prokarionte in evkarionte je temeljilo na fenotipskih razlikah na ravni celičnih organelov. Filogenetsko razmerje bi moralo namesto tega temeljiti na široko porazdeljeni molekuli. Ribosomska RNA (rRNA) je ena takih biomolekul, ki je prisotna v vseh samopodvajajočih se sistemih in katere zaporedja se s časom zelo malo spreminjajo. Analiza, ki je temeljila na karakterizaciji zaporedja rRNA, je zahtevala združevanje živih organizmov v eubakterije (vključuje vse tipične bakterije), arhee, in evkariontov¹.  

Kasneje so se začeli pojavljati dokazi o tesnejši povezavi med arhejami in evkarionti. Leta 1983 so ugotovili, da so od DNA odvisne RNA polimeraze arhej in evkarioti so iste vrste; oba kažeta osupljivo podobne imunokemične lastnosti in oba izhajata iz skupne strukture prednikov². Druga študija, objavljena leta 1989, je na podlagi ugotovljenega sestavljenega filogenetskega drevesa proteinskega para razkrila tesnejšo povezavo med arhejami in evkarionti kot z evbakterijami.³. Do tega časa je arhealni izvor evkarioti je bilo ugotovljeno, vendar je treba natančne arhejske vrste še identificirati in preučiti.  

Rast genomskih študij po uspehu v projekt genoma, zagotovil prepotrebno zapolnitev tega področja. Med leti 2015–2020 je več študij pokazalo, da je Asgard arhee nosijo specifične gene za evkarionte. Njihovi genomi so obogateni z beljakovinami, ki veljajo za specifične za evkarionte. Te študije so jasno pokazale, da so asgardske arheje najbližje genetski bližini evkariontu zaradi prisotnosti na stotine genov za evkariontske podpisne proteine ​​(ESP) v njihovem genomu.  

Naslednji korak je bil fizično vizualizirati notranjo kletno strukturo asgardskih arhej, da bi potrdili vlogo ESP, saj je splošno razširjeno mnenje, da imajo ESP ključno vlogo pri oblikovanju kompleksnih celičnih struktur. Za to so bile potrebne zelo obogatene kulture te arheje, vendar je Asgard znan kot nedosegljiv in skrivnosten. povzročajo težave pri gojenju v dovolj veliki količini, da bi jih lahko preučevali v laboratoriju. Glede na študijo, o kateri so nedavno poročali 21. decembra 2022, je ta težava zdaj premagana.  

Raziskovalci so po šestih letih trdega dela improvizirali tehnike in v laboratoriju uspešno gojili visoko obogateno kulturo "Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', član družine Asgard. To je bil izjemen dosežek tudi zato, ker je raziskovalcem omogočil vizualizacijo in preučevanje notranjih celičnih struktur Asgarda.    

Za slikanje obogatitvene kulture je bila uporabljena krioelektronska tomografija. Asgardske celice so imele kokoidna celična telesa in mrežo razvejanih izrastkov. Struktura celične površine je bila zapletena. Citoskelet je razširjen po celičnih telesih. Zviti dvoverižni filamenti sestavljajo Lokiaktin (tj. homologe aktina, ki jih kodira Lokiarchaeota). Tako so imele celice Asgarda kompleksen citoskelet na osnovi aktina, za katerega raziskovalci predlagajo, da je nastal pred razvojem prvega evkarioti.  

Kot prvi konkretni fizični/vizualni dokaz arhealnega porekla evkariontov je to izjemen napredek v biologiji.

*** 

Reference:  

1. Woese CR in Fox GE, 1977. Filogenetska struktura prokariontske domene: primarna kraljestva. Objavljeno novembra 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Huet, J., sod 1983. Arhebakterije in evkarionti imajo od DNA odvisne RNA polimeraze skupnega tipa. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Iwabe, N., sod 1989. Evolucijsko razmerje med arhebakterijami, evbakterijami in evkarionti na podlagi filogenetskih dreves podvojenih genov. Proc. Natl Acad. Sci. ZDA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Rodrigues-Oliveira, T., sod. 2022. Aktinski citoskelet in kompleksna celična arhitektura v asgardskem arheonu. Objavljeno: 21. december 2022. Narava (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***