Открыто одноклеточное, которое может переписать историю эволюции эукариот

Ученые открыли одноклеточный организм Ancoracysta twista с необычными стрекательными клетками. Микроорганизм, найденный на образце коралла из тропических морей, принадлежит к абсолютно новой линии, а его геном ставит под сомнение всю сложившуюся картину эволюции и родства эукариот — организмов с ядром в клетках. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты опубликованы в журнале Current Biology.

«Организм имеет уникальную морфологию: строение и форму, — рассказывает один из авторов статьи Денис Тихоненков, ведущий научный сотрудник Института биологии внутренних вод Российской академии наук. — Проведенный анализ показал, что митохондриальные гены в ходе эволюции были утеряны много раз независимо в различных группах эукариот, в противоположность однократной крупномасштабной потере генов у общего предка всех эукариотических организмов».

Эукариоты (организмы, в клетках которых есть ядро и много сложных структур) — это огромная группа с запутанными родственными связями. Вопросы, кем был, как давно жил и как выглядел последний общий предок человека и мухомора, амебы и финиковой пальмы, давно волнуют биологов. Деревья родства перестраиваются в согласии с последними молекулярными данными, и даже термин «царство» теряет прежнее значение, поскольку трудно разобраться, какая группа находится внутри другой.

Кроме самого заметного отличия, всех эукариот объединяет еще несколько важных черт, например, наличие митохондрий. У этих органелл (буквально «маленьких органов») есть собственный геном и способность самостоятельно синтезировать белки и даже размножаться внутри эукариотической клетки. По этим и ряду других причин в биологии считается устоявшимся фактом, что митохондрии, которые обеспечивают клетку энергией, когда-то были свободноживущими бактериями, но потом были поглощены первыми эукариотами на заре их эволюции. После этого эукариоты не переварили их, а сохранили внутри себя, породив симбиоз длительностью более миллиарда лет.

Сейчас в любой эукариотической клетке есть либо митохондрии, либо «следы» их пребывания, либо их гены, встроившиеся в ДНК ядра. Распадаться такому союзу было невыгодно: он мог производить на порядок больше энергии, что и позволило эукариотам достичь многоклеточности и других уровней сложности, которые бактерии не могут себе позволить. Со временем митохондрии избавились от генов, ставших ненужными после переселения в чужую клетку, а часть их генов переместилась в ядро.

Поскольку эукариоты вступили в симбиоз вскоре после своего возникновения, и это вполне могло быть одиночным событием, а не параллельным процессом во многих группах, различия в геномах митохондрий должны многое сказать о родстве и эволюции эукариот. Ученые предполагали, что чем древнее линия эукариот, тем сложнее геном их митохондрий, поскольку к моменту появления линии он еще не успел упроститься. Однако геном митохондрий Ancoracysta twista свидетельствует о неверности этой гипотезы.

Изучив сходство Ancoracysta twista с другими организмами по последовательностям 201 очень медленно эволюционирующего ядерного белка, биологи установили, что этот организм очень далек от всех известных групп эукариот. Анализ эволюции митохондриальных белков Ancoracysta twista привел ученых к выводу, что упрощение митохондриального генома шло не с постоянной скоростью. Ученые обнаружили две основных волны переноса митохондриальных генов в ядро. Первая волна примерно совпала с периодом существования последнего общего предка эукариот. Во время нее гены перемещались группами, функционирующими вместе. Таким образом, изменения, произошедшие в этот период, затронули все существующие сейчас эукариотические организмы. Вторая волна происходила позже, параллельно в разных группах, поэтому ее последствия у разных живых организмов отличаются. Она была очень растянута во времени, что и сделало ее похожей на постоянный поток отдельных генов.

Кроме того, митохондриальный геном открытого одноклеточного оказался третьим по величине из известных. По числу кодирующих белок генов он уступает лишь митохондриальным геномам малоизученных одноклеточных из группы Excavata и загадочного жгутиконосца Diphylleia rotans, пока не имеющего стабильного положения на древе эукариот. Экскаваты — эта одна из пяти огромных групп эукариот по пересмотру классификации 2012 года, однако ранг некоторых таксонов до сих пор обсуждается, и таких гигантских групп внутри эукариот может оказаться до 12. Поэтому данные о геноме Ancoracysta twista еще больше подогревают подобные споры.

Необычность Ancoracysta twista заметна и внешне. Основание его стрекательных органелл (анкорацист) по форме напоминает амфору, а внутри находится «стрела» и семь цилиндров. Этот аппарат «выстреливает» и поражает добычу: Procryptobia sorokini, тоже относящихся к группе Экскавата, или других простейших. Помимо необычных стрекательных структур, давших им название, у Ancoracysta twista есть и другие характерные черты: оболочка из четырех слоев и два жгутика, действующих независимо. Передний жгутик у основания покрыт тонкими ворсинками, а задний имеет на конце короткую вращающуюся лопасть.

«Открытие Ancoracysta twista, о существовании которой не было известно в течение более двух веков пристальных микроскопических исследований и двух десятилетий изучения библиотек природных сиквенсов ДНК, подчеркивает, что наши знания о разнообразии одноклеточных эукариот чрезвычайно скудны и что в природе, вероятно, существуют и другие организмы, подобные A. twista», — говорит Денис Тихоненков.

Исследование было выполнено Денисом Тихоненковым и Александром Мыльниковым из Института биологии внутренних вод РАН совместно с учеными из Университетского колледжа Лондона (Великобритания), Государственного университета Сан-Диего (США), Университета Британской Колумбии (Канада) и Университета Уппсалы (Швеция).

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.