Причуды эволюции: открытие организма, живущего без кислорода
Флора и фауна нашей планеты невероятно богата самыми разнообразными организмами, каждый их которых обладает своими уникальными особенностями. Тем не менее, несмотря на бесконечное число отличий, всегда есть какие-то общие для всех эволюционные правила. Одним из таких правил является необходимость в кислороде. Конечно, грибы, амебы или инфузории с течением времени утратили способность дышать, но это лишь исключения, подтверждающие правило. Ранее считалось, что аэробное дыхание присуще всем видам животных, но это не совсем так. Ученые из Тель-Авивского университет (Израиль) сделали удивительное открытие — паразит Henneguya salminicola, обитающий в мышечных тканях лосося, который не нуждается в кислороде. Какую информацию удалось получить во время изучения нового вида и какие отличия были найдены в его генной информации? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.
Основа исследования
Любую особенность какого-либо живого организма можно связать со средой его обитания и условиями, в которых протекала его эволюция. Аэробное дыхание является точкой пересечения многих видов эукариот, однако есть несколько линий одноклеточных, которые утратили эту способность ввиду обитания в гипоксической среде.
Если рассматривать организмы аэробных существ с точки зрения клеток, но важнейшей является митохондрия. Эта двумембранная сферическая или эллипсоидная органелла диаметром порядка 1 мкм является своего рода электростанцией, осуществляя окисление органических соединений. В результате этого вырабатывается энергия, которая в дальнейшем применяется для генерации электрического потенциала, термогенеза и синтеза аденозинтрифосфата (АТФ, источник энергии для биохимических процессов).
Если же в среде обитания нет кислорода, а организм эволюционировал так, чтобы обходиться без него, то митохондрии частично или полностью теряют свой геном, превращаясь в подобные митохондриям органеллы (MRO, mitochondria-related organelles).
Исследователи отмечают, что вопрос наличия у животных этих MRO долгое время порождал споры в научном сообществе. Одни считали это невозможным, другие же были уверены в обратном, но не имели вещественных доказательств своих теорий. Однако с открытием Henneguya salminicola дебаты станут не такими ожесточенными.
Изображение №1: филогенетические взаимоотношения эукариот, выведенные из суперматрицы из 9490 аминокислотных позиций для 78 видов. Виды, утратившие аэробное дыхание отмечены жирным шрифтом и звездочкой.
Одним из основных отличий MRO от обычных митохондрий является отсутствие в первых крист*, которые заменяются на гидрогеносомы* и митосомы*.
Кристы* — складки внутренней мембраны митохондрий.
Гидрогеносомы* — закрытая мембранная органелла некоторых одноклеточных анаэробных (не использующих кислород) организмов, таких как инфузории, трихомонады и грибы.
Митосомы* — органеллы некоторых одноклеточных анаэробных (не использующих кислород) организмов. Скорее всего митосомы участвуют в синтезе Fe–S (железосерных) кластеров, однако данных об этих органеллах пока мало.
В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые продемонстрировали, что миксозойный паразит (Cnidaria) в ходе эволюции утратил и свой митохондриальный геном, и аэробные метаболические пути, заменив их на новый тип анаэробного MRO.
Главными подопытными в данном исследовании выступили представители Myxozoa (миксозоя) — класса паразитических беспозвоночных из типа стрекающих (Cnidaria). Митохондрии Myxozoa имеют сильно различающиеся структуры генома, с большими многочастными кольцевыми митохондриальными хромосомами и необычно высокими темпами эволюции. Для анализа было выбрано два близкородственных вида — Henneguya salminicola и Myxobolus squamalis, которые оба паразитируют в организмах лососевых.
Результаты исследования
Перед проведением фактического анализа были собраны транскриптомы и геномы обоих видов. Филогенетические анализы, основанные на 78 генах, кодирующих ядерный рибосомный белок, у таксонов, представляющих эукариотическое разнообразие, подтвердили, что организмы, которые были секвенированы, являются близкородственными миксозоями.
Оценки качества сборки генома показала, что H. salminicola имеет более полную сборку с более высоким охватом и более предсказуемыми белковыми последовательностями, чем M. squamalis (таблица №1).
Таблица №1: оценка качества сборки генома исследуемых и репрезентативных видов.
Целевые поиски в геномах идентифицировали 75/78 генов ядерных рибосомных белков, что позволило предположить, что полнота составляет > 90% для обоих видов. Однако оценки полноты генома с использованием метода картирования основных эукариотических генов (CEGMA) позволили получить только 53,6% основных эукариотических генов для H. salminicola и 37,5% для M. squamalis.
Ученые предположили, что именно высокая скорость эволюции снижала способность обнаруживать многие распространенные эукариотические гены.
Анализ митохондриального (далее mt) генома показал разительные отличия между двумя рассматриваемыми видами. Для M. squamalis был успешно восстановлен циркулярный геном mt, состоящий из одной хромосомы, который по данным филогенетического анализа был миксозоальным. Как и у других миксозоях, в mt геноме М. squamalis отсутствовали тРНК, а скорость их эволюции была достаточно высока.
С H. salminicola ситуация сложилась противоположная, так как не удалось идентифицировать mt-последовательность, несмотря даже на более высокое качество этой сборки по сравнению с M. squamalis.
Далее для определения наличия/отсутствия ДНК в митохондриях миксозоя ученые окрашивали живые многоклеточные развивающиеся стадии M. squamalis и H. salminicola с помощью DAPI (флюоресцентный краситель 4»,6-диамидино-2-фенилиндол).
Изображение №2: снимки микроскопии, доказывающие отсутствие митохондрий у H. salminicola.
Клетки M. squamalis показали характерное эукариотическое окрашивание как ядер, так и митохондрий (2A), тогда как H. salminicola показал только ядерное окрашивание (2B).
Результаты микроскопии подтвердили, что у H. salminicola отсутствует mt геном. Тем не менее, также были выявлены митохондриально-подобные двухмембранные органеллы с кристами у H. salminicola (2С) и даже у M. squamalis. Соответственно, гены, участвующие в организации крист, также были обнаружены в геноме обоих видов, в частности DNAJC11 и MTX1.
Совокупность этих данных подтверждает, что у рассматриваемых видов присутствует MRO без генома митохондрии, но имеются кристы.
Исследователи напоминают, что у животных большая часть протеома* митохондрий кодируется в ядре.
Протеом* — совокупность белков, которые экспрессируются геномом, клеткой, тканью или организмом в определенное время.
Учитывая это, было идентифицировано 51 ген в H. salminicola и 57 генов в M. squamalis, вовлеченных в ключевые метаболические пути митохондрий (например, метаболизм аминокислот, углеводов или нуклеотидов).
Изображение №3: сравнение между путями, присутствующими в типичной аэробной митохондрии (A) и в H. salminicola MRO (B).
Это говорит о том, что MRO H. salminicola по-прежнему выполняют разнообразные метаболические функции, сходные с митохондриями M. squamalis.
Напротив, почти все ядерно-кодируемые белки, вовлеченные в репликацию и трансляцию генома mt, отсутствовали в геноме H. salminicola. Используя базу данных из 118 таких ядерно-кодируемых генов Drosophila (дрозофилы), удалось определить от 41 до 58 гомологичных генов mt в M. squamalis, но лишь шесть из этих генов были обнаружены в H. salminicola.
Стоит отметить, что ДНК-полимераза gamma-1 гена mt у вида H. salminicola является псевдогеном, поскольку содержит три точечные мутации, которые создают преждевременные стоп-кодоны*.
Стоп-кодон* — единица генетического кода, кодирующая прекращение трансляции (синтеза полипептидной цепи).
Кроме того, этот ген не экспрессируется в H. salminicola и отсутствует в сборке транскриптома H. salminicola, тогда как во всех других миксозойских транскриптомах были идентифицированы гомологичные контиги*.
Контиг* — группа из нескольких последовательно соединённых участков ДНК.
Наличие псевдогенной копии этой полимеразы является доказательством сразу нескольких ранее высказанных теорий и наблюдений. Во-первых, это подтверждает теорию о том, что H. salminicola утратил свою mt ДНК, поскольку у него нет механизма ее репликации. Во-вторых, это доказывает, что отсутствие белковых гомологов у этого вида является результатом псевдогенизации, а не ошибкой сборки.
Естественно, потеря генома митохондрий имеет непосредственное влияние на формат дыхания организма, так как митохондрии животных кодируют важные белки цепи переноса электронов. Чтобы проверить, означала ли потеря генома mt потерю аэробного дыхания у H. salminicola, ученые начали поиски гомологов известных ядерных генов дрозофилы, которые обычно кодируют ∼100 белков из комплексов электронно-транспортной цепи mt.
Поиск выявил лишь семь из этих белков в H. salminicola, тогда как у других миксозоях было порядка 18–25. В частности, все комплексы генов (I, III и IV), которые были выявлены в других миксозоях, отсутствуют в H. salminicola (3В) либо были представлены в виде псевдогенов.
Поскольку комплекс IV взаимодействует с молекулами О2, это может означать, что H. salminicola может быть неспособен к стандартному клеточному аэробному дыханию.
Помимо комплексов I, III и IV, которые отвечают за прохождение протонов в митохондриальное межмембранное пространство, в H. salminicola также не было выявлено комплекса V, отвечающего за синтез АТФ.
Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном исследовании были собраны первые данные касательно генетических особенностей существа, способного, судя по всему, жить без необходимости в аэробном дыхании. То, что ранее считалось неотъемлемой частью мира животных, оказалось не столь и важным для некоторых его представителей.
Авторы этого открытия отмечают, что обычно эволюция идет по пути от простого к сложному, но в случае с H. salminicola наблюдается обратная ситуация. Жизнь в бескислородной среде вынудила этот организм лишиться более ненужных генов, ответственных за аэробное дыхание, что сделало его более простым организмом.
Конечно, пока остается неясным, как именно протекала эволюция паразитического организма вида H. salminicola, какие именно обстоятельства вынудили его утратить свои митохондрии и фактически отказаться от кислорода и почему именно такой вариант изменений произошел. Эти вопросы ученые намерены рассматривать в своих дальнейших исследованиях.
Как бы то ни было, данное открытие действительно уникально, поскольку лишний раз подтверждает, что природе еще есть чем нас удивить. Общепринятые законы и нормы, которые ранее считались непоколебимыми, в некоторых редких случаях нарушаются. С одной стороны это удивительно, с другой — вполне ожидаемо. Ведь чего еще можно ожидать от эволюции, которая из хаотичного первичного бульона создала столь сложную и прекрасную флору и фауну, окружающую нас каждый день.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)
Немного рекламы :)
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
