https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/products-and-services/promotions/30-years-discovery-russia-promo.html?cid=PJT4417-WE42944-Biomolecula-Russia-30yearsinRussiaBanner-December
Подписаться
Оглавление

Содержание

  1. Благодарности
Биомолекула

Внимание! Разыскивается предок митохондрий!

Внимание! Разыскивается предок митохондрий!

  • 244
  • 0,2
  • 4
  • 2
Добавить в избранное print
Обзор

коллаж автора статьи на основе What is Phylogeny? и «Строение митохондрии»

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Говорят, давным-давно наш далекий одноклеточный предок съел какую-то бактерию, да не переварил, а приручил. Так появились митохондрии, которые уже миллионы лет как часть нас. Но кто совершил такое злодейское порабощение, а кто пал его жертвой? Как выглядело то существо, которое поглотило бактерию — предка митохондрий, — и как выглядел сам предок? Кем он был и чем занимался? Попробуем расследовать события огромной давности, используя методы биоинформатики.

Конкурс «био/мол/текст»-2019

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2019.


Центр наук о жизни Сколтеха

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.


«Диа-М»

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


BioVitrum

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Истина — не догма, но танец.
Бхагаван Шри Раджниш

Имена американца Говарда Тейлора Риккетса и чеха Станислава Провачека двумя трагическими страничками вписаны в ежедневник мировой микробиологии. Оба исследователя погибли от одного и того же тяжелого заболевания — сыпного тифа, — пытаясь получить вакцину от его возбудителя, названного впоследствии их именами [1]Rickettsia prowazekii, риккетсия Провачека.

Но знали ли Риккетс и Провачек, умирая, что заразившая их опасная бактерия — родственник тех митохондрий, которые до последнего снабжали их клетки энергией? Вполне возможно, для многих читателей это и сейчас окажется сюрпризом. Однако это так. Не знали они и того, что степень такого родства более чем век спустя станет предметом ожесточенных споров между биологами.

Митохондрия под электронным микроскопом

Рисунок 1. Митохондрия под электронным микроскопом. Можно разглядеть обе мембраны и хорошо изображенные складки внутренней мембраны — кристы.

Митохондрии — это органеллы эукариотических клеток, снабжающие их энергией за счет кислородного дыхания. Под электронным микроскопом митохондрия при первом беглом взгляде напоминает нарезной батон (рис. 1).

У органеллы двойная мембрана: внешняя гладкая и внутренняя, испещренная глубокими складками, вдающимися далеко внутрь митохондрии наподобие перегородок. Эти складки получили название «кристы» (рис. 2). Под внутренней мембраной находится внутреннее содержимое — гелеобразная субстанция, напоминающая цитоплазму клетки и называемая матриксом. В ней расположены свои рибосомы и даже свой геном в виде нескольких кольцевидных молекул ДНК [2]. Пространство между мембранами играет важную роль в функционировании митохондрии и так и называется: «межмембранное пространство».

Строение митохондрии

Рисунок 2. Строение митохондрии

Митохондрии обычно называют электростанциями клетки, но также уместно было бы сравнить их с ее легкими. Без митохондрий клетка не способна дышать кислородом и может получать энергию только за счет брожения, или гликолиза, — процесса, в котором богатая энергией молекула углевода не сгорает полностью до углекислого газа и воды, а только разламывается на два кусочка, из которых «выжимается» небольшое количество энергии в виде аденозинтрифосфата, или АТФ. В итоге получаются органические кислоты — разные у разных организмов — или обычный этиловый спирт. Выход энергии у такого процесса, по сравнению с дыханием, незначителен (рис. 3).

Лаконичная схема гликолиза

Рисунок 3. Лаконичная схема гликолиза. Хорошо видно, что в ходе процесса молекула глюкозы расщепляется на две части, из которых «выжимается» немного АТФ, которой с трудом хватает, чтобы покрыть затраты на расщепление и оставить себе кое-какие «проценты».

Glycolysis, рисунок адаптирован

Митохондрии же, если они есть в клетке, подхватывают эстафету окисления с невиданным размахом: для начала они «прокручивают» обломок молекулы глюкозы — пировиноградную кислоту — в молекулярной «мясорубке» из трех связанных друг с другом ферментов (рис. 4), окисляя его до остатка уксусной кислоты (ацетата),.. который они тут же присоединяют к сложной молекуле — коферменту А, чтобы эта кислота не разъела все в клетке [3].

Структура «мясорубки» для пировиноградной кислоты

Рисунок 4. Структура «мясорубки» для пировиноградной кислоты — пируватдегидрогеназного комплекса. По размерам он больше рибосомы.

Остаются углекислый газ и два протона (иона водорода), которые загружаются на специальный молекулярный переносчик со сложным названием никотинамидадениндинуклеотид... Не пытайтесь выговорить, мы сами зовем его «НАД»! Куда он потом понесет эти протоны, мы еще поговорим.

А пока ацетат прокручивается в ненавистном многим студентам цикле Кребса (рис. 5), как в еще более чудовищной окислительной мясорубке, где полностью разбирается на протоны, электроны и углекислый газ. Вся эта орава протонов и электронов также загрузится на молекулярных переносчиков — нашего знакомого НАД и его близкого коллегу ФАД (флавинадениндинуклеотид).

Цикл Кребса

Рисунок 5. Цикл лимонной кислоты, он же цикл Кребса. Наглядно показаны «злоключения» пировиноградной кислоты после попадания в митохондрию. Там пировиноградная кислота (пируват) сначала лишится карбоксильной (–COOH) группы и станет остатком уксусной кислоты, который потом прицепится к щавелевоуксусной кислоте (оксалоацетату). В результате последующего оборота цикла регенерируется оксалоацетат, а от остатка уксусной кислоты останется лишь воспоминание... а еще углекислый газ, протоны и электроны.

Вся эта компания отдаст свои электроны на внутренней мембране, где встроенные в нее белки цепи переноса электронов перекачают протоны в межмембранное пространство, а электроны будут передавать друг другу, как мяч в футболе, пока последний из белков не «забьет» их в молекулу кислорода, восстанавливая ее с образованием воды. В межмембранном пространстве накапливаются протоны, создавая разницу зарядов и превращая внутреннюю мембрану в один большой конденсатор.

Вот тут и пригодится сравнение с электростанцией: избыточно накопленные протоны стремятся прорваться обратно внутрь митохондрии, но сделать они это могут только через белок АТФ-синтазу, при этом прокручивая ее, как ротор ГЭС. При этом белок «штампует» АТФ.

Тем не менее некоторые одноклеточные эукариоты в ходе эволюции пришли к выводу, что довольствоваться малым, в принципе, неплохо. И по сей день мы знаем их как анаэробов. К ним относятся патогенные для человека организмы — трихомонады, дизентерийная амеба, лямблии, а также менее известные криптоспоридии, микроспоридии, возбудители бластоцистоза [4] и некоторые инфузории [5]. До недавнего времени считалось, что митохондрий у этих организмов нет. От слова «вообще».

Действительно, зачем митохондрии, если тебе не надо дышать? К тому же в этих клетках нет типичных митохондрий, чем-то похожих под электронным микроскопом на гибрид нарезного батона и гармошки. За такую недопустимую для уважающих себя эукариот особенность, исследователи ранее даже нарекли их обидным словом «архезои» [6], подразумевая под этим самых древних представителей эукариот, не успевших еще обзавестись митохондриями. Такие, в общем, эволюционные неудачники... Казалось бы.

Клетка трихомонады с гидрогеносомами

Рисунок 6. Клетка трихомонады с гидрогеносомами (обозначены оранжевыми стрелками)

С 1970-х лет известно, что у анаэробных «простейших» (тогда еще об условности этого термина никто не задумывался) есть экзотический органоид под названием гидрогеносома (рис. 6) [7].

Он, как и митохондрия, имеет две мембраны, внутренняя собрана в кристы. И он также генерирует АТФ, только в анаэробных условиях, при этом весьма экзотичным образом — от пировиноградной кислоты также отрывается одна карбоксильная группа с образованием ацетата и углекислого газа, только уксусная кислота уже ни с чем не связывается, а так и выделяется в свободном виде. Что касается водорода, то он не «садится» на молекулярного переносчика... а так и выделяется в виде газа! Именно эта особенность дала гидрогеносоме название. Да, и катализует реакцию совсем другой фермент. Не тот молекулярный монстр из трех ферментов, который у нас с вами превращает пируват в ацетат (он называется пируватдегидрогеназным комплексом), а более простой и незамысловатый фермент с не менее сложным названием «пируват:ферредоксин-оксидоредуктаза» (или «пируватсинтаза») . Вместо НАД он передает электроны на ферредоксин — небольшой белок, содержащий в центре железосерный кластер — фактически небольшой кристаллик на «базе» белка. Кластер состоит из иона железа и окружающих его атомов серы остатков цистеина [5], [7].

Такого фермента нет в клетках эукариот, в том числе у людей. Но, как мы уже упоминали, гидрогеносомы с этим ферментом есть у многих патогенных простейших. Именно на этом основано действие таких лекарственных препаратов, как метронидазол, орнидазол, тинидазол, которыми лечат трихомониаз и некоторые другие протозойные инфекции. В клетке паразита нитрогруппа препарата восстанавливается, получая электроны от восстановленного ферредоксина (напоминаем, что как раз его продуцирует фермент гидрогеносом пируват:ферредоксин-оксидоредуктаза). В результате получается химически очень активное соединение, повреждающее ДНК паразита [5].

И в течение как минимум 20 лет происхождение гидрогеносом было точно не установлено, и с митохондриями их не связывали. Хотя кое-какие подозрения уже были — обычными биохимическими методами у анаэробных простейших обнаруживали ферменты, характерные для митохондрий (!) и содержащиеся где-то внутри клетки в мембранных органеллах. Это следовало из того, что такие ферменты после растирания клеток в пюре и центрифугирования попадали в так называемую микросомальную фракцию. Откуда они там взялись? Потом, по мере развития технологий секвенирования и анализа генов, выяснилось, что в геноме у некоторых простейших, не имеющих митохондрий, откуда-то взялись гены явно митохондриального происхождения [7].

Потом оказалось, что для транспорта белков в гидрогеносомы используются те же короткие пептиды-«сортировочные метки», которыми пользуются аэробные организмы для переноса белков в митохондрии. Вот это был удар посильнее предыдущих.

Сейчас стало почти ясно, что гидрогеносомы произошли от митохондрий, утративших свой маленький геном (он весь перешел в ядро) и дыхательную функцию [5], [7]. Зачем тебе митохондрии, если тебе не надо дышать? По идее, незачем, но хорошая штука, жалко... Переделаем их немного — и пусть вырабатывают водород.

Переделать митохондрии в гидрогеносомы — хорошая идея, так как для реакций окисления пировиноградной кислоты с образованием водорода нужны железосерные кластеры, про которые мы уже говорили при обсуждении ферредоксина. Стоп, а что вообще за кластеры такие?

Железосерный кластер — это комплекс из атома железа и связанных с ним атомов серы, входящих в остаток цистеина белка (рис. 7а и 7б). С одной стороны, это неорганическое соединение, имеющее красивую кристаллическую структуру, с другой стороны, за счет того, что в его состав входит сера от цистеина, кристаллик в прямом смысле «встроен» в белок. Такая система очень склонна принимать или отдавать электроны... и именно поэтому используется во многих окислительно-восстановительных реакциях в клетке. А содержащие такой «кристаллик» белки необходимы всем живым организмам.

Формулы различных типов железосерных кластеров

Рисунок 7а. Формулы различных типов железосерных кластеров

[26], рисунок с изменениями

Трехмерная модель железосерных кластеров

Рисунок 7б. Трехмерная модель железосерных кластеров в комплексе I дыхательной цепи бактерии Thermus thermofilus (сера на рисунке желтая, железо — оранжевое, весь белок — голубой). Здесь представлены два типа кластеров: 2Fe—2S и 4Fe—4S.

Кристалл в белке находится не случайно. И распространенность такой структуры во всех царствах живого мира — тоже не случайность. Когда жизнь только зарождалась, некоторые реакции между сложными органическими молекулами могли происходить с участием обычного неорганического сульфида железа — пирита, в обилии имеющегося в подводных гидротермальных источниках — «черных курильщиках», где, согласно одной из теорий, и зародилась жизнь. Когда же в ходе эволюции белки и клетки оформились в более-менее независимые от внешней неорганической среды образования, их жизнь все равно осталась зависимой от реакций с участием пирита. И эволюции ничего не оставалось, как... упрятать кристаллик пирита внутрь белков! То есть создать железосерный кластер [9–11].

Как мы уже говорили, железосерный кластер довольно легко окисляется и восстанавливается, что делает его отличным переносчиком электронов... и одновременно ахиллесовой пятой белка и клетки! Из-за ранимости в окислительно-восстановительных реакциях белки с железосерными кластерами не могут синтезироваться в присутствии кислорода. На заре эволюции об этом можно было не задумываться — и так в атмосфере кислорода не было... Но сейчас-то есть! А железосерные белки нужны. И где же синтезировать их в аэробной, то есть дышащей кислородом, клетке? Элементарно, Ватсон! В матриксе митохондрий. Как бы это странно не звучало.

Да, митохондрии — это легкие клетки. Они дают ей возможность дышать кислородом. Но дело в том, что восстановление кислорода происходит на внутренней мембране митохондрии, куда они приходит извне, со стороны цитоплазмы. А значит, в матриксе митохондрии кислорода крайне мало — его почти весь задерживают и пускают в дело белки внутренней мембраны. Как ни странно, самые «анаэробные» условия в аэробной клетке — внутри митохондрии [7].

Поэтому в привычной нам эукариотической клетке все железосерные белки производятся в митохондриях — и для «внутреннего использования» в митохондриях, и для работы в других отделах клетки. Ибо они необходимы не только для процессов дыхания. Гидрогеносомам эти белки тоже необходимы (пример — уже упомянутый ферредоксин), поэтому они, так же как и митохондрии, синтезируют их для внутреннего пользования и на экспорт. Унаследовали функцию от митохондрий.

Но некоторые организмы пошли еще дальше. В ходе эволюции они перешли на получение энергии исключительно путем гликолиза, избавившись и от громоздкой системы с генерацией водорода. Но железосерные белки производить все равно надо! У таких организмов остались крохотные, лишенные крист рудименты митохондрий — митосомы, которые и «занимаются» только их синтезом....

Перечисленные выше факты свидетельствуют об одном: митохондрии, пусть иногда в редуцированном виде, по всей видимости, характерны для всех эукариот. И — самое главное — были у их общего предка. Если кто-то впоследствии и отказался от дыхания с помощью митохондрий, то это произошло уже впоследствии. Первый эукариот был с митохондриями. И, скорее всего, они появились в истории Земли всего единожды. Но как?

Тот факт, что митохондрии — потомки бактерий-симбионтов наших древних одноклеточных предков, уже почти не вызывает у ученых сомнения. Вероятный сценарий их проникновения и одомашнивания уже был подробно описан на «Биомолекуле» — и даже в виде сказки [12]! Портить сказку повторением не будем, отметим лишь, что в XXI веке мы гораздо точнее можем сказать, «кто от кого произошел», так как сейчас даже нет необходимости долго рассуждать, почему тогда у митохондрий две мембраны и откуда там взялся собственный геном. Хотя, конечно, это уже весомый довод... но гораздо весомее взять этот геном, расшифровать его последовательность и с помощью специальных программ сравнить с известными геномами бактерий.

Такие расчеты статистически достоверно приводят к одному заключению — наши митохондрии когда-то были бактериями. Но какими? Ведь сравнение ДНК позволяет построить детальное эволюционное дерево и определить не только «сестер» и «братьев» изучаемого объекта, но даже найти «бабушек» и «дедушек».

Единственное, что мы на сегодняшний день можем сказать точно — что предок митохондрий относится к обширному классу альфа-протеобактерий. На это ясно указывают данные сравнения генов. Кстати, увлекшись вопросом «Кого заглотили?», мы забыли про вопросы «А кто, собственно, заглотил?» и «Было ли у него уже ядро? То есть был ли он уже эукариотом минус митохондрии?» Это самое простое предположение. Но так ли это на самом деле?

Самый большой минус этой гипотезы заключается в одной нестыковке [13]. Если когда-то могли существовать домитохондриальные эукариоты, которые во всех отношениях эукариоты, кроме митохондрий, то куда они все делись? Почему у всех либо митохондрии, либо кто-то уже успел эти митохондрии упросить до предела? Вся «старая гвардия» вымерла? Ну разве что... А есть ли более вероятный сценарий?

А что, если само по себе поглощение митохондрий толкнуло жизнь на новую ступеньку? Если оно само по себе обеспечило эукариот всем, включая ядро?

Для начала задумаемся, а откуда у нас в геноме большое количество «темной материи»? Многим известен факт, что более 95% генома человека — гены, не кодирующие белки. Да еще гены у нас прерываются странными не кодирующими белки вставками — интронами. В общем, структура нашего генома напоминает жесткий диск, никогда не подвергавшийся дефрагментации.

А что, если тот, кто заглотил, тоже был прокариотом? То есть археоном или бактерией?

Здесь мы используем термин «археон» как единственное число по отношению к термину «археи». Бактерия — бактерия, но архея — археон. Иногда можно встретить термин «архея», но микробиологи, серьезно занимающиеся археями, предпочитают говорить «археон» [14], поэтому мы здесь следуем академическому названию.

Тогда подселение симбионта внутрь клетки неизбежно сопровождалось бы утечками его ДНК в цитоплазму клетки-хозяина, откуда она с готовностью проникала бы в его несчастный геном, буквально нашпиговывая его заразными генетическими элементами вроде ретротранспозонов и просто засоряя его. Хозяину пришлось срочно обзаводиться ядром, чтобы защитить свою ДНК от всякого «прилетающего» из цитоплазмы мусора, и разобщить транскрипцию (переписывание информации с ДНК на РНК) и трансляцию (синтез белка на основе РНК) [6]. Так, собственно, с тех пор и живем. Помимо нас, эукариот, так живет только небольшая группа бактерий — планктомицеты. У них есть аналог ядра, поэтому они тоже вынуждены разделить эти два процесса, о чем читайте в отдельной статье на «Биомолекуле» [15].

Судя по тому, что гены, ответственные за трансляцию и транскрипцию — самые «ядерные» и центральные функции клетки — у нас архейного происхождения [11], логично предположить, что предка митохондрии и заглотил какой-то археон. Но какой?

Его ученые недавно смогли вычислить довольно точно. До 2015 года методами биоинформатики , то есть компьютерного анализа биологических данных, ученые установили, что архейный предок эукариот находится где-то «в районе» филумов Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota и Korarchaeota [16].

О биоинформатике и ее методах можно прочитать на «Биомолекуле» в теме «“Сухая” биология» и в статье «Я б в биоинформатики пошел, пусть меня научат!» [17].

Филум — это крупная таксономическая группа у прокариот и одноклеточных эукариот, в первом грубом приближении соответствует типу у животных (напоминаем, что мы с вами относимся к типу хордовых). То есть, говоря о филумах, мы на самом деле имеем в виду огромные эволюционные расстояния. В исследованиях такого масштаба приходится мыслить категориями астрономического размера.

Эту группу для краткости назвали по первым буквам — «TACK-археи». Но говорить о том, что архейный предок эукариот находится где-то в группе TACK, означает примерно то же самое, что говорить, что предок людей принадлежал к царству животных, при этом не имея сведений не то что о человекообразных обезьянах, но и о приматах вообще. Было бы грустно знать так мало. Кстати, загадка происхождения эукариот касается прежде всего нашего с вами происхождения, и поэтому она так занимает ученых.

Но в 2015 году ситуация изменилась — вышла статья в журнале Nature [16], где группа исследователей представила результаты обработки геномов, найденных в донном осадке .

Секвенированием и сборкой геномов, полученных не из культуры организма, а из образца окружающей среды, занимается раздел биологии, называемый метагеномикой. А сам такой процесс называется метагеномным анализом. Подробнее о метагеномике можно прочитать в «Википедии».

Методами уже упомянутой биоинформатики ученые собрали геном вероятно существующего археона из найденных на морском дне «завалов» из ДНК. Затем сравнили его опять же компьютерными методами с известными геномами. И мало того, что он тоже принадлежит группе TACK, так еще и оказался ближайшим родственником эукариот, формируя с ними единую ветвь! Кроме того, у него «нашлись» гены, ранее считавшиеся уникальными для эукариот: гены актина — белка «мышц и связок» клетки; малых ГТФаз — регуляторных белков, у нас с вами вовлеченных в процесс роста и дифференцировки клеток и — увы! — ракового перерождения; и гены, ответственные за заглатывание небольших частиц [16]. А недавно (эврика!) — этого или похожего археона смогли вырастить в лаборатории, вот и статья на «Биомолекуле» [18]. Похоже, предок эукариот уже почти перед нами!

А вот с тем, кого заглотили, все сложнее, и ученые до сих пор разыскивают «пострадавшего». Как мы уже говорили, точно удалось установить только класс предка митохондрий: альфа-протеобактерии. И тут всплывает любопытная деталь... Этот класс достаточно густо «населен» облигатными внутриклеточными паразитами и симбионтами. И первые из них — уже упомянутые риккетсии (рис. 8). Вернее, не только они, но и их ближайшие родственники — коксиеллы, эрлихии, анаплазмы, вольбахии. Всех этих бактерий объединяет образ жизни: они живут в клетках эукариот. Риккетсии даже не умеют синтезировать АТФ — универсальную «энергетическую валюту» любой клетки: они получают его из клетки-хозяина. Воистину, это паразиты из паразитов. Обитание в клетке-хозяине, тесная зависимость от него и малый размер генома делают их похожими на митохондрии. Риккетсии — это нечто вроде «митохондрий наоборот». Митохондрии поставляют хозяину АТФ и поддерживают его жизнь. Риккетсии воруют АТФ и могут даже убить хозяина. Клинически это выглядит, например, как лихорадка Скалистых гор. Или тот самый сыпной тиф, убивший Риккетса и Провачека. И уничтоживший еще множество людей во времена войн и революций, с которыми всегда приходят вши — переносчики паразита. Или как марсельская лихорадка, астраханская пятнистая лихорадка, лихорадка цуцугамуши [19]... В общем, риккетсии промышляют АТФ в нешуточных масштабах.

Риккетсия Провачека

Рисунок 8. Возбудитель сыпного тифа — риккетсия Провачека — в клетке

Эрлихии паразитируют не только внутри животных клеток, но и в трематодах, и не прочь забраться даже внутрь некоторых амеб. А вольбахии живут внутри клеток насекомых (но не прочь и в круглых червях поквартировать), весьма выгодно используя их в своих интересах [20], даже меняя хозяину пол. Чем не кандидат на роль заглоченного предка митохондрий? Может, он и не пострадавший вовсе, а прирученный незаконный пришелец, перешедший от воровства АТФ к работе на хозяина?

И на самом деле во многих исследованиях, где исследователи сравнивают гены и белки в поисках ближайших родственников и общих предков, бактерии порядка Rickettsiales оказываются ближайшими родственниками митохондрий [20]. Больше того, в некоторых исследованиях митохондрии оказываются вообще одомашненной разновидностью Rickettsiales, то есть одной из веток этого порядка [20]. Казалось бы, все сходится?

Но не спешите радоваться... Дело в том, что не всё так просто в биоинформатике.

Если нам нужно найти родственников или общего предка, то, в общем и целом, процедура анализа сама по себе несложна. Последовательности ДНК и белков есть в общедоступных базах. Да, бесплатно. И — вы не поверите — даже без рекламы! Программы доступны на тех же условиях. Для некоторых программ можно даже не заморачиваться с установкой — они доступны онлайн через браузер. В итоге сам анализ сводится к тому, чтобы набрать последовательностей из баз, как обычных текстов (да, можно просто методом «скопировать и вставить»!), загрузить их в рабочую область программы и щелкнуть пару кнопок. Чаще требуется повторить это действие с тремя-четырьмя различными программами, а еще открыть дополнительные опции и покопаться в них, сделать несколько запусков с разными настройками... На выходе получается филогенетическое дерево (рис. 9а и 9б) — схема в виде дерева, показывающая ход эволюции данного гена или белка. Один минус — она показывает ГИПОТЕТИЧЕСКИЙ ход эволюции, рассчитанный программой по последовательностям. А программа — не человек и использует свой внутренний алгоритм, каждая — свой (чаще всего можно выбрать). А используемые алгоритмы могут ошибаться.

Пример филогенетического дерева для опсинов

Рисунок 9а. Пример филогенетического дерева для опсинов (зрительных белков) приматов. Здесь дерево дано уже с цветовыми выделениями и пометками.

Phylogenetics, рисунок адаптирован

Пример филогенетического дерева для митохондрий

Рисунок 9б. Одно из филогенетических деревьев, реконструируемых для митохондрий и создающих впечатление их близкого родства с риккетсиями

Кажется, что в целом ничего сложного. Но здесь нас подстерегает масса подводных камней в виде ошибок программ и алгоритмов, с помощью которых они работают. Одна из распространенных ошибок называется «притяжение длинных ветвей». В силу чисто статистических особенностей алгоритмов программы для построения филогенетических деревьев склонны объединять в одну большую ветвь последовательности даже с дальним родством, быстро эволюционировавшие и далеко отошедшие от остальных представленных в наборе. И ей без разницы, насколько они на самом деле родственны. И такая простая на первый взгляд наука биоинформатика, не успев родиться, тут же превратилась в упражнения со статистикой: как получить достоверные деревья, а не то, что взбрело программе на ум? Как избавиться от влияния длинных ветвей, обратных замен и прочих биоинформатических неприятностей при расчетах? На эти вопросы точного ответа до сих пор нет, они решаются при каждом молекулярно-эволюционном исследовании [6].

Митохондрии и Rickettsiales — как раз такой сложный случай. Жизнь внутри другого существа в принципе побуждает эволюционировать. Поэтому обе группы — по определению длинные ветви, которые почти обязательно «притянутся» друг к другу в любом случае. А значит, с верой в их близкое родство следует подождать. К сожалению, эта не до конца проверенная гипотеза успела войти в учебники, и со студенческой скамьи специалисты — медики и биологи — усваивают, что митохондрии и риккетсии «одной крови» [19], [21]. Впрочем, статьи с таким «спойлером» попадаются и среди сравнительно недавних публикаций [20].

Авторы из университета Вирджинии [22], в частности, предложили новую увлекательную версию этой гипотезы. Они решили отойти на филогенетическом дереве немного назад во времени и реконструировать черты общего предка митохондрий и альфа-протеобактерий. Это биоинформатики тоже делают все чаще: строится филогенетическое дерево, а затем специальным статистическим методом вычисляется наиболее вероятное состояние общего предка. Вышло, что далекий предок митохондрий имел жгутик и был... энергетическим паразитом. Вроде риккетсий. То есть влезал в клетку хозяина и воровал у него АТФ. Более того, его белок, транспортирующий АТФ, был аналогичен таковому у риккетсий и работал в направлении «вовнутрь», то есть закачивал АТФ в симбионта. А в дальнейшем роли поменялись, а с ними поменялся и транспортер АТФ, который теперь стал выкачивать из симбионта образуемую им АТФ [22].

В этой статье много неясностей, и самая большая из них — что авторы никак не объясняют и не обсуждают того, что среди альфа-протеобактерий много свободноживущих видов. Как они возникли из паразитического предшественника, да и могли ли? Да и не вполне понятно, имели ли в виду авторы такую гипотезу. Временами создается впечатление, что реконструировали они не общего предка всех альфа-протеобактерий и митохондрий, а лишь общего предка митохондрий и их ближайших родственников из числа альфа-протеобактерий — которыми (вот сюрприз!) — опять «оказались» Rickettsiales!

Но если не риккетсии и вольбахии, то кто же? Чтобы все же ответить на этот вопрос, авторы разных исследований рассматривали его с разных углов, применяя замысловатый математический аппарат для точных филогенетических вычислений.

Начнем с того, что сами по себе филогенетические деревья — весьма древний способ моделирования, берущий начало еще из трудов Дарвина [23]. Он на самом деле хорошо себя зарекомендовал, но зачастую им пользуются не потому, что он информативен и точен, а потому, что он интуитивно понятен и нагляден. Поэтому современная биоинформатика довольно сильно привязана к деревьям. Но методы построения филогенетических деревьев дают непростительные погрешности не только в нашем случае с митохондриями. Чем дальше в генетику, тем больше недавно открытых процессов, которые не очень-то похожи на привычное нам вертикальное наследование. У бактерий, архей, да и у некоторых одноклеточных эукариот горизонтальный перенос генов по принципу не «от отца к сыну», а «от соседа соседу» имеет такой невиданный размах, что в эволюционных масштабах времени кажется, что гены не чинно и степенно расходятся в процессе видообразования, а эпидемически распространяются от бактерии к бактерии, как грипп у людей. Давайте еще добавим сюда половое размножение у эукариот, различные «обмены» между родственными генами, перемещение интронов по геному (да, они умеют!)... Такие процессы на дереве корректно не изобразишь. И это всё, не говоря уже о том, что наш случай с митохондриями не единственный, когда есть филогенетические неточности и неясности и модель дерева не очень справляется. Есть ли что-нибудь другое? О да! Филогенетические сети и сети подобия [23]. Существует даже не один способ изобразить эволюционные отношения в виде сети. Не столь ясно для читателя, зато для исследователя зачастую куда информативнее (рис. 10).

Филогенетическая сеть

Рисунок 10. Пример филогенетической сети для митохондриальной (опять митохондрии!) ДНК различных популяций людей [27]. Предлагаю сравнить общий вид с филогенетическими деревьями с рисунка 9. Правда, менее ясно? Но более информативно.

В 2015 году исследователи из Бразилии применили к нашим митохондриям и альфа-протеобактериям такую методику, «усиленную» довольно сложным математическим аппаратом [24]. Хоть она и не похожа на привычные нам «древесные» подходы, но в ней также используются наборы последовательностей белков. Здесь ученые взяли последовательности белков, составляющих ту самую молекулярную «турбину», через которую проходят протоны при синтезе АТФ (рис. 11).

Сетевые эволюционные модели для митохондриальных АТФ-синтаз

Рисунок 11. Сетевые эволюционные модели для митохондриальных АТФ-синтаз, выстроенные бразильскими исследователями. Куда запутаннее деревьев, зато более точно.

В результате — никаких намеков на родство с риккетсиями и им подобными! Бразильские ученые обнаружили, что филогенетически митохондрии ближе всего к свободноживущим видам: фотосинтезирущим пурпурным бактериям семейства Rhodospirillaceae, бактериям семейства Rhodobacterales и ризобиям, образующим симбиоз с растениями и помогающим им усваивать азот [24]. Более того, авторы сообщают, что по результатам их анализа митохондрии оказались близкородственны всем подряд альфа-протеобактериям, кроме риккетсий [24]! Неожиданно... И как-то непонятно, хотя заставляет задуматься.

А в 2018 году проблемой занялись шведские, немецкие и нидерландские ученые [25]. Они решили подойти к проблеме не столь радикально и строить все те же деревья, но, во-первых, усилить свои методики статистическим аппаратом, а во-вторых, залезть поглубже в океан в поисках новых геномных данных. Конечно, исследователи физически не погружались в темные глубины, они лишь использовали выложенные в общий доступ последовательности ДНК найденных в океане бактерий. При этом даже особо не заморачиваясь, кому конкретно из бактерий они принадлежали — снова уже описанный мною метагеномный анализ. И сделали еще более неожиданный, но вместе с этим еще более ясный вывод. Митохондрии, согласно их результату, ответвились от ведущего к альфа-протеобактериям эволюционного «ствола» еще задолго до расхождения основных таксонов альфа-протеобактерий [25]. То есть приходятся всем альфа-протеобактериям только двоюродными родственниками. А все ранее полученные деревья, на которых было видно, что митохондрии близки к риккетсиям — это ошибка вычислительных методов. Это исследование говорит о том, что некоторое сходство митохондрий с риккетсиями — не что иное, как эволюционная аналогия, то есть развитие похожих черт в похожих условиях, но при абсолютно разном происхождении. Как крылья бабочки и крылья летучей мыши.

В итоге, к сегодняшнему дню расследование зашло в тупик. Если два последних упомянутых научных коллектива не ошиблись, то какой он был, этот общий предок? Кажется, пока что мы потеряли нить, дающую возможность реконструировать его черты и нарисовать его «портрет». В буквальном смысле — закинули невод в море (то есть в океан), а оказались у разбитого корыта... Что ж, опять как в сказке…

Благодарности

Автор выражает благодарность студентке лечебного факультета Тверского государственного медицинского университета Виктории Исхаковой за помощь в адаптации рисунков.

Литература

  1. Евсеев А. (2012). Драмы науки: некролог от возбудителя тифа. «Правда.Ру»;
  2. Kimball J.W. Cellular respiration. Kimball's Biology Pages;
  3. Нельсон Д. Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. Т. 2: Биоэнергетика и метаболизм. М.: «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2014. — 636 с.;
  4. P. Upcroft, J. A. Upcroft. (2001). Drug Targets and Mechanisms of Resistance in the Anaerobic Protozoa. Clinical Microbiology Reviews. 14, 150-164;
  5. Проворов Н.А., Тихонович И.А., Воробьев Н.И. Симбиоз и симбиогенез. СПб.: «Информ-Навигатор», 2018. — 464 с.;
  6. Кунин Е.В. Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. М.: «Центрполиграф», 2012;
  7. Mark van der Giezen, Jorge Tovar, C. Graham Clark. (2005). Mitochondrion‐Derived Organelles in Protists and Fungi. International Review of Cytology. 175-225;
  8. SIXTO RAUL COSTAMAGNA, MARIA PRADO FIGUEROA. (2001). On the ultrastructure of Trichomonas vaginalis: cytoskeleton, endocytosis and hydrogenosomes. Parasitol. día. 25;
  9. Roland Lill, Ulrich Mühlenhoff. (2008). Maturation of Iron-Sulfur Proteins in Eukaryotes: Mechanisms, Connected Processes, and Diseases. Annu. Rev. Biochem.. 77, 669-700;
  10. T. A. Rouault. (2012). Biogenesis of iron-sulfur clusters in mammalian cells: new insights and relevance to human disease. Disease Models & Mechanisms. 5, 155-164;
  11. Никитин М. Происхождение жизни. От туманности до клетки. М.: «Альпина Диджитал», 2016;
  12. Как появились митохондрии (рассказ, похожий на сказку);
  13. Natalya Yutin, Maxim Y Wolf, Yuri I Wolf, Eugene V Koonin. (2009). The origins of phagocytosis and eukaryogenesis. Biology Direct. 4, 9;
  14. Воробьева Л.И. Археи: учебное пособие для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. — 447 с.;
  15. Пространственное разделение транскрипции и трансляции в клетках бактерии Gemmata obscuriglobus;
  16. Anja Spang, Jimmy H. Saw, Steffen L. Jørgensen, Katarzyna Zaremba-Niedzwiedzka, Joran Martijn, et. al.. (2015). Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature. 521, 173-179;
  17. Я б в биоинформатики пошёл, пусть меня научат!;
  18. Собственной персоной: ученым удалось вырастить в лаборатории вероятного предка эукариот;
  19. Рудаков Н.В. Риккетсии (семейство Rickettsiaceae) // Медицинская микробиология, вирусология и иммунология / В.В. Зверева, М.Н. Бойченко. М.: «ГЭОТАР-Медиа», 2010. C. 221–235;
  20. Victor V Emelyanov. (2001). Evolutionary relationship of Rickettsiae and mitochondria. FEBS Letters. 501, 11-18;
  21. Xue-Jie Yu, David H. Walker. (2006). The Order Rickettsiales. The Prokaryotes. 493-528;
  22. Zhang Wang, Martin Wu. (2014). Phylogenomic Reconstruction Indicates Mitochondrial Ancestor Was an Energy Parasite. PLoS ONE. 9, e110685;
  23. Eric Bapteste, Leo van Iersel, Axel Janke, Scot Kelchner, Steven Kelk, et. al.. (2013). Networks: expanding evolutionary thinking. Trends in Genetics. 29, 439-441;
  24. Daniel S. Carvalho, Roberto F. S. Andrade, Suani T. R. Pinho, Aristóteles Góes-Neto, Thierry C. P. Lobão, et. al.. (2015). What are the Evolutionary Origins of Mitochondria? A Complex Network Approach. PLoS ONE. 10, e0134988;
  25. Joran Martijn, Julian Vosseberg, Lionel Guy, Pierre Offre, Thijs J. G. Ettema. (2018). Deep mitochondrial origin outside the sampled alphaproteobacteria. Nature. 557, 101-105;
  26. Johnny Stiban, Minyoung So, Laurie S. Kaguni. (2016). Iron-sulfur clusters in mitochondrial metabolism: Multifaceted roles of a simple cofactor. Biochemistry Moscow. 81, 1066-1080;
  27. Huson D.H. GCB 2006 — Tutorial: introduction to phylogenetic networks. Germany, Tubingen University, 2006. — 36 p..

Комментарии