Слияния клеток и бактерий проливают свет на то, как эволюционировали органеллы

Клетки, находящиеся в симбиотическом партнёрстве, вложенные друг в друга и функционирующие как органеллы, могут заимствовать гены хозяина для реализации собственных метаболических путей. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

В природе мало более тесных отношений, чем между клетками и симбиотическими бактериями, или эндосимбионтами, которые живут внутри них. В таких отношениях клетка-хозяин обычно защищает своего эндосимбионта и обеспечивает ему возможность размножения, а эндосимбионт снабжает хозяина ключевыми питательными веществами. Это глубоко кооперативное взаимодействие, при котором геномы хозяина и эндосимбионта, по-видимому, даже вносят взаимодополняющий вклад в метаболические и биосинтетические пути друг друга.

Раскрытая сложность этих взаимоотношений продолжает преподносить сюрпризы. В новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Cell, учёные показывают, что сложный трёхсторонний симбиоз между клеткой насекомого и двумя видами бактерий, один из которых является эндосимбионтом другого, глубоко переплетает геномы и физиологию организмов. Эти результаты могут пролить свет на то, как митохондрии и другие органеллы возникли из древних эндосимбионтов в древнейших эукариотических клетках.

Когда клеткам для выживания необходимо быстро приобрести новый метаболический признак, лучшим вариантом может быть заимствование его у других организмов. Горизонтальный перенос позволяет переместить несколько генов между клетками, но вероятность горизонтального приобретения полного набора генов для сложного метаболического пути ничтожно мала. Поэтому, как объясняет Джон Маккатчеон, исследователь эндосимбиоза из Университета Монтаны, самым простым решением часто становится слияние клеток с разными способностями и взаимодополняющими потребностями. Такие слияния нередки в природе. Известно даже о случаях вторичных и третичных слияний, в результате которых образуется клеточный эквивалент набора матрёшек.

Одно из таких «матрешечных» слияний произошло около 100 миллионов лет назад, когда мелкие насекомые-вредители, называемые мучнистыми червецами, приобрели бактериальный эндосимбионт, Tremblaya. Впоследствии Tremblaya приобрела несколько других бактерий, включая Moranella. В конце концов, остальные были утрачены, и осталась только Moranella. Неизвестно, как долго длится эндосимбиоз с Moranella, но, вероятно, он составляет порядка десятков миллионов лет. В результате клетка мучнистого червеца содержит бактерию, которая содержит другую бактерию – это явление было обнаружено ещё в 2001 году Кэрол фон Долен, биологом из Университета штата Юта.

В 2011 году фон Долен и Маккатчеон опубликовали результаты секвенирования геномов этих двух бактерий. В каждом из геномов были утрачены некоторые гены, но вместе они обладали полным набором генов, кодирующих ферменты, участвующие в биосинтетических путях незаменимых аминокислот. Таким образом, Tremblaya и Moranella работают вместе, производя незаменимые аминокислоты как для себя, так и для тех, которые мучнистый червец не может найти в своём строгом соковом рационе.

Однако в двух бактериальных геномах отсутствовали и другие гены, и, хотя они дополняли друг друга в синтезе аминокислот, они, по-видимому, не могли производить ферменты, критически важные для других метаболических путей. Это заставило Маккатчеона задуматься, содержит ли геном насекомого-хозяина гены, заполняющие эти пробелы.

В статье, опубликованной в 2013 году, Маккатчеон и его коллеги продемонстрировали, что это действительно так. Они также заметили, что, хотя эти гены находились в ядрах клеток насекомых-хозяев, многие из них изначально явно не были генами мучнистого червеца, поскольку кодировали синтез пептидогликанов, основных компонентов клеточных стенок бактерий. Эти гены должны были быть горизонтально перенесены в ядерный геном мучнистого червеца из бактерий.

Таким образом, геномные данные предполагали, хотя и не доказывали, что эндосимбионт Moranella может использовать генные продукты ядерного генома мучнистого червеца для построения своих клеточных стенок. Однако, если это так, это означало, что продукты генов насекомого должны были пройти из ядра хозяина через пять клеточных мембран (три у Tremblaya и две у Moranella), чтобы достичь внутренней части наиболее глубоко расположенных бактерий, где синтезируются пептидогликаны. Это недоказанное предположение казалось крайне маловероятным.

Кроме того, это означало бы, что гены как минимум из трёх разных источников — аутентичные ядерные гены мучнистого червеца, различные бактериальные гены, приобретённые ядерным геномом мучнистого червеца, и гены Moranella — работали вместе в сложном биосинтетическом пути. Это также казалось маловероятным.

Обретающая форму гипотеза выглядела неуклюже даже для исследователей. «Это так сложно, и то, что всё это работает вместе, просто нелепо», — сказал Маккатчеон. Тем не менее, они были достаточно уверены в своих геномных данных, чтобы придумать способ их проверить. «Мы хотели найти способ, которым мы могли бы подойти и фактически доказать, что то, что мы наблюдаем в геномике, действительно работает так, как мы и предполагали».

Закрывать

Симбионты и метаболизм

В статье, опубликованной сегодня в журнале Cell, Маккатчеон, ДеАнна Бублиц (старший научный сотрудник лаборатории Маккатчеона) и их коллеги описывают хитроумный приём, который позволил им добиться этого. Они использовали уникальную особенность пептидогликанов: они синтезируются из D-аланина, аминокислоты, не встречающейся больше нигде в клеточном метаболизме. В ходе экспериментов исследователи вводили растущим культурам клеток мучнистого червеца варианты D-аланина, меченые либо тяжёлым изотопом азота, либо флуоресцентными соединениями, что позволило им отслеживать его локализацию в клетке и различные метаболические превращения.

Их выводы подтвердили, что полная биохимия синтеза пептидогликана происходит внутри гнездовых эндосимбионтов Moranella.

Когда исследователи впервые увидели результаты эксперимента с тяжёлыми изотопами, вспоминает Бублиц, она находилась в подвальной лаборатории с другими аспирантами и учёными-исследователями. «Экран появился и начал показывать, что ожидаемая нами картина с пептидогликаном реальна, но мы на мгновение отошли в коридор и посмотрели на экран с очень-очень большого расстояния, чтобы убедиться, что то, что мы видим, всё ещё видно», — сказала она. «Вот это да, не могли поверить». Исследователи даже приглашали незнакомцев и просили их описать изображение на экране, чтобы проверить, «было ли это для них, слепых наблюдателей, так же очевидно, как для нас, и что мы видим не просто то, что хотим видеть».

«Больше всего меня воодушевляет то, что это доказывает эффективность этих сложных эндосимбиозов», — сказал Маккатчеон. Его также поразило, что моранелла и тремблайя настолько интегрированы в клетки мучнистого червеца, что фактически являются их частью: «Видя генетическую сложность, лежащую в её основе, мы фактически стираем все функциональные различия между эндосимбионтом и органеллой».

У. Форд Дулиттл, специалист по эволюционной и молекулярной биологии из Университета Далхаузи в Новой Шотландии, говорит, что это исследование представляет собой «необходимый и захватывающий объём наземных исследований», поскольку оно проверило биохимические процессы, вытекающие из геномных данных, и показало, что клетки действительно производят то, что им положено. «Я действительно считаю, что это очень важная работа», — сказал он.

«Это настоящий прорыв — продемонстрировать, что внутренняя бактерия создаёт клеточные стенки», — сказала Симей Чоу , биохимик, изучающий взаимодействие животных и микробов в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. «Технически это очень сложно продемонстрировать».

«Что в этом особенного, так это то, что разделение труда требует, чтобы хозяин перенес что-то через пять различных липидных мембран, чтобы добраться до внутреннего эндосимбионта», — добавила она.

На данный момент неясно, используют ли симбиотические клетки те же молекулярные механизмы, которые обычно используют эукариотические клетки для переноса белков через клеточные мембраны, или им пришлось изобрести новые способы перемещения этого груза. По словам Маккатчеона, некоторые данные указывают на то, что Tremblaya, посредник в этом трёхстороннем симбиозе, активно переносит генные продукты между ядром хозяина и геномом Moranella, поскольку ни один из метаболитов, меченных тяжёлыми изотопами, не попадает в Tremblaya. «Она каким-то образом участвует, но как именно, остаётся загадкой», — сказал он.

Контролирующий партнер

Известен как минимум ещё один пример эндосимбиоза, связанного с общими генами. У простейшего вида Paulinella около 100 миллионов лет назад появился «второй хлоропласт», или хроматофор, в результате приобретения эндосимбионта цианобактерии. Геном хроматофора взаимодействует с геномом простейшего организма-хозяина, формируя пептидогликановый слой хроматофора.

Маккатчеон предположил, что как при эндосимбиозе Paulinella, так и при эндосимбиозе Tremblaya-Moranella геномная мозаика, отвечающая за синтез пептидогликанов, может позволять эукариотическому хозяину контролировать бактериальные эндосимбионты. Если эндосимбионт реплицируется слишком быстро, он может убить хозяина; ограничивая скорость, с которой бактерии могут строить клеточные стенки, хозяин контролирует численность своих обитателей. Однако, почему Moranella продолжает строить клеточную стенку, остаётся загадкой, поскольку она уже надёжно заключена как внутри Tremblaya, так и внутри клетки хозяина. «Очевидно, что тот факт, что ей приходится всё это делать, говорит о том, что это важно по какой-то причине», — сказал Чжоу.

Маккатчеон полагает, что семейство мучнистых червецов может содержать подсказки об эволюции древнейшего и, вероятно, самого известного органоида: митохондрий.

Митохондрии произошли от альфапротеобактерий, поглощенных прокариотом (скорее всего, представителем архей) между 1,5 и 2 миллиардами лет назад. Поскольку большинство современных бактерий имеют клеточные стенки из пептидогликана, вполне вероятно, что древние, включая предка митохондрий, тоже имели их. Бублиц выдвигает гипотезу, что альфапротеобактерии были поглощены другой клеткой или активно вторглись в нее, и что клетка-хозяин смогла кооптировать пептидогликановый путь и контролировать репликацию своего эндосимбионта. Возможно, хозяин и ранние митохондрии в конечном итоге стали еще более интегрированными, настолько, что хозяину больше не нужен был пептидогликановый путь для управления делением митохондрий. Передача контроля над синтезом пептидогликана может быть «одним из первых шагов в переходе от автономной бактерии к некоему виду функциональной органеллы», — предположил Бублиц.

Поскольку митохондрии настолько древние и поскольку они эволюционировали только один раз, трудно точно реконструировать, как развивался этот эндосимбиоз. Мы знаем, что со временем митохондриальные геномы теряли гены, некоторые из которых были вставлены в ядерный геном. Сегодня у большинства животных, достаточно сложных для того, чтобы иметь двустороннюю симметрию, митохондриальные геномы сохраняют только 37 генов; митохондрии полагаются на более чем 1000 генов, которые теперь находятся в ядре, чтобы функционировать. (Для сравнения, эукариотические микробы обычно имеют от трех до 69 митохондриальных генов.) Но малоизвестный факт заключается в том, что многие из этих ядерных генов не произошли из древнего митохондриального генома; они произошли от других бактерий в результате горизонтального переноса, говорит Маккатчеон.

Происхождение этих горизонтально перенесённых генов — горячо обсуждаемый вопрос в биологии митохондрий. Одна из гипотез заключается в том, что альфапротеобактерии приобрели их от других бактерий до эндосимбиотического события, приведшего к образованию эукариотической клетки, и впоследствии эти гены переместились в ядро клетки-хозяина. Другая гипотеза заключается в том, что горизонтально перенесённые гены попали в ядерный геном непосредственно от различных бактерий со временем, после эволюции эукариотической клетки.

Хотя мы не можем быть полностью уверены в том, как эволюционировала самая древняя органелла, симбиоз мучнистого червеца, тремблайи и моранеллы демонстрирует, что может работать второй эволюционный сценарий — что гены из разных бактериальных инфекций могут медленно накапливаться и интегрироваться в функциональные пути в едином целом.

По словам Маккатчеона, митохондрии уникальны среди эндосимбионтов, превратившихся в органеллы, тем, что они являются древнейшим образцом. «Но их древность затрудняет их изучение и затрудняет установление того, что происходило до того, как они стали органеллами. Я думаю, особенность Паулинеллы в том, что она даёт нам возможность заглянуть в то, что могло произойти».

Хотя митохондрии были уникально успешными, не все эндосимбиозы заканчиваются так же благополучно. Более ранняя работа Маккатчеона показала, что у цикад есть бактериальный эндосимбионт, Hodgkinia cicadicola, который фрагментировался на более чем два десятка линий внутри клеток цикады. Каждая из этих линий содержит только варьирующиеся подмножества генома Hodgkinia. Вместе все линии имеют полный набор генов, необходимых для производства незаменимых аминокислот, от которых зависят цикады. Но Маккатчеон считает, что это пример неадаптивной эволюции эндосимбионта, которая создает трудности для хозяина: яйца цикады должны получить полный набор эндосимбионтов, чтобы выжить, и изменчивость в том, что различные комбинации эндосимбионтов обеспечивают, создает проблемы.

Маккатчеон и Бублиц сейчас работают над выяснением того, почему некоторые эндосимбиозы развиваются в стабильные и успешные партнёрства, а другие выходят из-под контроля или деградируют. «Сейчас нет неопровержимых доказательств того, что позволяет им сохраняться», — сказал Бублиц.

Источник: www.quantamagazine.org