Предки митохондрий были паразитами?
Митохондрии - это эукариотические органеллы, которые когда-то давно были бактериями.
Конечно кто-то может возразить, что это всего лишь гипотеза, однако эта гипотеза уже давно переросла в эндосимбиотическую теорию и является общепринятой в кругах учёных. Так уже давно считается, что митохондрии произошли когда-то от альфа-протеобактерий, вероятно, два миллиарда лет назад. Но, остается неясным, что составляло начальный эндосимбиоз между альфа-протеобактерией и ее хозяином. В частности, какую роль сыграл митохондриальный предок, инициировавший эндосимбиоз? В связи с этим вопросом возникают и другие. Например:
Для объяснения всех обстоятельств и ответов на все вопросы, связанные с основными эндосимбиотическими событиями, выдвигались разные гипотезы зачастую противоречащие друг другу. Так, например, «Водородная гипотеза» предполагала метаболическую синтрофию между водорода-продуцирующими альфа-протеобактериями и водорода-зависимыми археонами, как движущую силу эндосимбиоза.
В связи с этим в последнее время стала набирать ещё одна гипотеза возникновения митохондрий, которая рассказывает нам о паразитических предках митохондриях. Эта гипотеза на данный момент кажется является более достоверной, так как подкрепляется большим количеством данных. Так в 2020 году вышло огромное филогенетическое исследование показывающее близкое родство митохондрий с паразитическими бактериями. [1]
Но не менее интересное исследование, с которого всё и началось, произошло в 2014 году [2].
Хотя мне следует чуть-чуть поправить себя, так как предположения о митохондриях-паразитах высказывались не однократно и ранее, но именно это исследование можно назвать самым крутым и начальной «точкой отсчёта» к последующим событиям в научной среде. Поэтому сегодня именно его я и буду рассматривать.
А всё началось как раз с реконструкции митохондриального предка, который имеет большое влияние на наше понимание происхождения митохондрий. Так все выше описанные мной гипотезы объяснялись исследованиями, которые в основном были сосредоточены на реконструкции последнего общего предка всех современных митохондрий, так называемых прото-митохондрий, но не основывались на более информативных премитохондриях, которые по сути были ещё древнее прото-митохондрии, так как они включали последнего общего предка как митохондрий, так и их сестринской клады альфа-протеобактерий.
Самые известные из них это вольбахии и риккетсиалы (отряд в который входят риккетсии). Последние нас интересуют больше всего, так как именно они успели поучаствовать в реконструкции предка митохондрий, а точнее их метаболизма в 2014-м году.
Так, чтобы получить представление об обстоятельствах, которые окружали начальное событие эндосимбиоза, учёные старательно реконструировали метаболизм прото-митохондрий и премитохондрий. Для этого они сначала восстанавливали прото-митохондриальные гены, которые в процессе эволюции были потеряны для ядра. Учёные назвали эти гены ядерными генами митохондрий. Восстановление этих генов являлось предпосылкой для реконструкции митохондриальных предков. Предыдущие попытки найти прото-митохондриальные гены были безуспешны так как основывались на довольно ограниченной доступности бактериальных и эукариотических геномов на момент их изучения [3;4].
Используя значительно увеличившееся представление геномов эукариот и альфа-протеобактерий, исследователи провели филогеномный анализ для систематической идентификации ядерных генов, происходящих из митохондрий. Гены эукариот с наибольшим попаданием в BLAST митохондрий / альфа-протеобактерий сначала были объединены в группы генов. Филогенетическое дерево было реконструировано для каждого семейства, и ядерные гены, которые сгруппировались с альфа-протеобактериями на деревьях, были идентифицированы как происходящие из митохондрий.
Начав с 427186 генов из 30 эукариотических геномов, представляющих широкий диапазон филогенетического разнообразия, они идентифицировали 4459 генов, принадлежащих к 394 семействам, как ядерные гены митохондрий. Чтобы исключить недавний перенос генов, специфичных для клонов, между альфа-протеобактериями и эукариотами, генные семейства должны были присутствовать по крайней мере в двух альфа-протеобактериальных и двух эукариотических линиях. Собственно, так и произошло. Таким образом учёные смогли идентифицировать, что ядерные гены из 394 семейств присутствуют в прото-митохондриях.
Всё это есть и в современных митохондриях. Однако учёные обнаружили и то, чего в прото-митохондриях не было. Так в них отсутствовали функциональные категории, такие как репликация ДНК и транскрипция, также в значительной степени отсутствовали в реконструированном метаболизме и гетеротрофные углеводные обмены, такие как гликолиз и пентозофосфатный путь. Таким образом реконструкция прото-митохондрии показала упрощённого предка митохондрии более похожего на современную митохондрию, что опровергло предыдущие гипотезы о ближайших предках митохондрий, которые имели огромное множество разнообразных функций.
При дальнейшем изучении уже самих митохондрий учёные по-новому взглянули на метаболизм эукариот, происходящий главным образом благодаря этим органеллам. Особый интерес представлял ряд генов, участвующих в метаболизме липидов эукариот. Были идентифицированы несколько генов, участвующих в биосинтезе нуклеотидов de novo, как происходящих из митохондрий. Обнаружены были и ферменты, участвующие в биосинтезе стероидов предполагающие, что митохондриальный предок внес свой вклад в биосинтез оных. Вишенкой на торте можно назвать идентификацию церамидгликозилтрансферазы (COG1215).
А интересно то, что этот фермент расположенный на «ассоциированной с митохондриями мембране», специфическом субдомене ER, который связывает этот самый ER и митохондрии, обнаружился и в риккетсиях. Для понимания замечу, что все эти самые гликосфинголипидные, и церамидные структуры, повсеместно присутствуют в качестве важных мембранных компонентов почти во всех эукариотических клетках и митохондриях, а это в свою очередь говорит нам о том, что присутствие этих структур в бактериях являются крайне редкими. При этом, что интересно, ген отвечающий за все эти субстраты и гликолипидные продукты, присутствующий в бактериальных клетках всё же различается от эукариотических гликозилтрансфераз. Следовательно, данный факт указывает на бактериальное происхождение этого гена, который был приобретён эукариотами для новой функции по синтезу собственных эндомембран, а также по перекрестному взаимодействию и перемещению липидов между митохондриями и субодменом ER. Интересные результаты не так ли?
В результате получилось, что митохондрии поместились в отряд к риккетсиалам в качестве сестринской клады по отношению к семействам Rickettsiaceae, Anaplasmataceae и Candidatus Midichloriaceae, которую в свою очередь были подчинены семейству Holosporaceae.
Стоит отметить, что представители этих семейств являются паразитами. Так, учёные в этой работе показали, что все пять линий секвенированных риккетсиалов тесно связаны с митохондриями. Далее основываясь на приблизительной линейной зависимости между числом семейств генов, средним числом генов и размером генома учёные заметили, что геном премитохондрий сокращался. Это типично для облигатной внутриклеточной бактерии и предполагает, что сокращение генома шло полным ходом до того, как митохондрии отделились от альфа-протеобактерий, т. е. стали настоящими митохондриями.
Продолжив генетические исследования, учёные стали сравнивать реконструированные прото-митохондрии и премитохондрии. Оказалось, что в отличии узкоспециализированных прото-митохондрий, премитохондрии были способны к гораздо более разнообразному метаболизму. Помимо основных путей, премитохондрии участвовали в трансляции, в клеточной стенке, LPS и биогенезе мембран, в производстве энергии, репликации, рекомбинации и репарации ДНК, они обладали множеством ключевых метаболических путей, включая гликолиз, цикл TCA, пентозофосфатный путь и путь биосинтеза жирных кислот. Кроме того, премитохондрии обладали большим количеством генов, участвующих в синтезе различных кофакторов, таких как рибофлавин, фолат, биотин и убихинон.
Дальнейшие исследования премитохондрий показали, что они кодируют пластидно-паразитарный тип транслоказы АТФ / АДФ, которая импортирует АТФ от хозяина, что делает премитохондрию энергетическим паразитом. Последующие сравнения генов риккетсиалов с премитохондриями, а также построения филогенетических деревьев показало, что премитохондрии вероятно обладали способностью дышать в условиях низкого содержания кислорода и имели жгутики, которые наследовались вертикально, а не через горизонтальный перенос. Электронная микроскопия части эндосимбиотических бактерий также показала наличие рудиментарных жгутиков. Т.е. данное исследование показывает нам предка митохондрии, который мог жить в условиях с низким содержанием кислорода, обладающим жгутиком и являющимся паразитом, что, казалось бы, прямо контрастирует с нынешней ролью митохондрий как производителя энергии клетки.
Однако, систематический обзор от 2011 года бактериального симбиоза показал, что мутуализмы вполне себе могут происходить либо непосредственно от свободноживущих бактерий в окружающей среде, либо от внутриклеточных паразитов [5]. Ключевое различие между этими двумя эволюционными путями состоит в том, что для инициации симбиоза свободноживущие бактерии должны приносить немедленную пользу хозяину, в то время как внутриклеточные паразитические бактерии этого не делают.
Вместо опровержения прошлых предположений данная гипотеза предлагает применять их для объяснения перехода митохондрий от паразита к мутуалистической органелле на более поздней стадии. Это всё очень интересно, а потому есть большая вероятность, что гипотеза о предках митохондриях как паразитах возможно скоро станет научной теорией. Поэтому если, кто-то назовёт Вас паразитом, не обижайтесь, ведь можно парировать, что паразитизм у нас в крови, а точнее в клетках. Такие дела!
Автор: биолог, вдохновитель научного сообщества Фанерозой, Ефимов Самир
Оригиналы: Публикация фанерозойских материалов на платформе "Вконтакте", "Хабр" и "Пикабу".
1. «Phylogenetic analyses with systematic taxon sampling show that mitochondria branch within Alphaproteobacteria» Lu Fan, Dingfeng Wu, Vadim Goremykin, Jing Xiao, Yanbing Xu, Sriram Garg, Chuanlun Zhang, William F. Martin and Ruixin Zhu; Nature Ecology & Evolution, 2020
2. Phylogenomic Reconstruction Indicates Mitochondrial Ancestor Was an Energy Parasite Zhang Wang, Martin Wu Published: October 15, 2014Gabaldon T, Huynen MA (2003) Reconstruction of the proto-mitochondrial metabolism. Science 301: 609.
3. Gabaldon T, Huynen MA (2007) From endosymbiont to host-controlled organelle: the hijacking of mitochondrial protein synthesis and metabolism. PLoS Comput Biol 3: e219.
4. Gabaldon T, Huynen MA (2007) From endosymbiont to host-controlled organelle: the hijacking of mitochondrial protein synthesis and metabolism. PLoS Comput Biol 3: e219.
5. Sachs JL, Skophammer RG, Regus JU (2011) Evolutionary transitions in bacterial symbiosis. Proc Natl Acad Sci U S A 108 Suppl 210800–10807.
Халтура
Главный инженер отложил документацию, и с некоторым разочарованием посмотрел на новичка.
– Лучший студент на курсе, личная рекомендация ректора… Знаете, я ожидал от вас большего.
– Но позвольте, – промямлил вчерашний выпускник, – государственная комиссия высоко оценила мой дипломный проект!
– Да, да. Я знаю. Единственная оценка "отлично" со всего потока. Именно поэтому вас и пригласили на работу в "БиПиЭм динамикс". Но этому, – инженер постучал ногтем по бумагам, – место в мусорной корзине.
– Но вы же едва просмотрели спецификацию, – слабо возмутился бывший студент. Он потратил на этот проект треть времени в университете, и это был настоящий прорыв. Он отошел от принятой повсеместно узкой специализации, и его механизмы могли выполнять самые разнообразные задачи. А этот заплесневевший пень в упор не хочет видеть перспектив! Студент знал эту породу: такие будут цепляться за проверенные временем решения, отвергая все новое.
– Да, слегка просмотрел, – согласился старый пень. – И знаете, что я там увидел? Ерунду я там увидел! Вот вы заявляете, что механизмы могут функционировать до 200 лет. Так?
– Так, – угрюмо согласился студент.
– А вот и нет! – торжествующе воскликнул инженер. – Посмотрите сюда!
Он безошибочно ткнул в описание несущей конструкции.
– В основе вы предлагаете использовать соли кальция. Так?
– Так, – молодому специалисту не оставалось ничего иного, кроме как соглашаться.
– В общем, выбор довольно разумен. Но вы же совершенно не предусмотрели распределения нагрузок возможностей для замены узлов и обслуживания! И то же касается насосов, фильтров, и даже технических жидкостей! Ладно еще с газонесущей жидкостью: ее легко долить, хотя и здесь вы зачем-то ввели несколько стандартов, не всегда совместимых между собой. Двести лет все это добро никак не прослужит, нужен периодический сервис, а то и замена запчастей. А как это делать? Это надо вскрывать изделие, а без повреждений это сделать совершенно невозможно. Плюс естественное старение материалов, ускоренное неблагоприятными внешними воздействиями, некачественным топливом и так далее. Лет тридцать – вот максимум срока их службы.
– Можно хранить их в ангарах, когда изделия не используются, – возразил студент. – Все равно им периодически нужно делать дефрагментацию диска, пусть перед состоянием деактивации возвращаются в теплое, сухое помещение.
– Ну хорошо. А заправка? Большая часть топлива идет в отходы! Кроме того, что это жутко неэффективно, так они еще и загадят все вокруг! И скажите мне, пожалуйста, почему вы не поставили датчик емкости бака? Как изделие будет контролировать его заполнение?
– В этом нет необходимости, – уверенно возразил студент. – Поиск топлива и заправка реализованы через базовые функции. Чем меньше топлива в реакторе, тем чаще вычислительными мощностями ставится задача пополнить запас. При заполнении необходимого объема – задача снимается.
– Другими словами, изделие не может восполнить запас топлива в свободное время, а вынуждено это делать, когда уровень падает ниже какого-то критического значения? Так?
– Получается так, – нехотя согласился студент.
– А если вычислительные системы заняты какой-то важной задачей, и не дадут вовремя команду на прекращение заправки? При переполнении бака лишнее топливо не будет успевать утилизироваться, а будет складироваться в виде ненужных отложений, увеличивая массу изделия. Почему вы не снабдили изделие анализатором вещества? Так, по крайней мере, оно бы имело полную информацию о качестве топлива, и могло бы заправляться более эффективно.
Студент молча сопел, не зная что возразить. В свое время, он именно так и хотел поступить, но программирование микроконтроллеров на задачи, связанные с химическим анализом, оказалось сложнее, чем он думал. Поэтому он перевесил эту функцию на несколько других датчиков, которые совместно и решали: стоит использовать этот вид топлива, или же оно приведет к прекращению работы систем. Работало это не то чтобы идеально, но вполне удовлетворительно. Чего этот старый пень к нему вообще прицепился? Кому вообще может мешать лишняя масса?
– Идея с самовоспроизводством изделий хороша – тут я спорить не буду. Нано роботы это делают давно, но для более сложных систем это нечто новое.
Студент приободрился. Неужели он удостоился похвалы?
– Но и здесь не все гладко, – спустил его с небес на землю инженер. – Ладно, я еще могу понять полугодовую неспособность изделия выполнять даже простейшие операции, пока оно занято изготовлением нового образца. Но зачем каждый месяц тестировать эту функцию? Да еще и с ухудшением функционала и потерями технических жидкостей?
Этот косяк студент вынужден был признать, прикрывшись периодическим напоминанием о необходимости увеличения парка изделий.
На самом деле, он подумал об этой функции, когда конструкция была уже почти готова, и просто поленился переделывать. Кое-какие изменения все же пришлось внести, чтобы хотя бы часть изделий имела такой функционал, но как побочный эффект возникли протечки…
– Вы хотите всего и сразу, – сказал инженер. – Автономное, самовоспроизводящееся изделие, которое можно приспособить к любой задаче. Но посмотрите вокруг. Что вы видите?
– Я вижу "Оракула", – мрачно ответил студент.
– Именно! Узкоспециализированная, пространственно интегрированная система, что позволяет переносить мысль без потери смысла от одного вида к другому. И заметьте – за последние двести миллионов лет, в нее не было внесено ни одной правки! И в следующие двести миллионов не будет! Потому, что структура изначально продумана до мелочей. Я уверен, что благодаря ей, даже ваши обезьяны поняли бы, о чем мы говорим.
Замшелый пень, перебирая корневищами, подошел поближе к собеседнику, и ткнул ногтем в его кремниевую глыбу.
– В целом, ваша идея довольно интересна. И мы даже готовы предоставить под нее малую испытательную площадку, чтобы посмотреть, что получится.
Студент застыл, всем своим видом выражая удивление.
– Но не рассчитывайте на многое. Если у программного обеспечения еще есть какие-то перспективы, то сами изделия придется, в конце концов, утилизировать. Легче будет разработать новые с нуля, чем исправлять эту халтуру.
В Питере шаверма и мосты, в Казани эчпочмаки и казан. А что в других городах?
Мы постарались сделать каждый город, с которого начинается еженедельный заед в нашей новой игре, по-настоящему уникальным. Оценить можно на странице совместной игры Torero и Пикабу.
Реклама АО «Кордиант», ИНН 7601001509
Как зарождался мой первый псевдоним
Я родился в Якутии, недалеко от города Олёкминска, в маленькой деревушке Гезево. Мне было тогда лет 10-ть и всё это произошло в мой день рождения, я человеком был забитым и социофобным, компании не любил и всегда был один, в тот раз мне захотелось сходить к маленькому озерцу, настолько маленьким, что это даже карьером не считалось, озером мы его среди людей называли, я любил посидеть около этого "озерца" и поболтать с самим собой (здрасьте, я лёгкая биполярочка), дошагав дотуда я увидел что там уже ошивается какой-то мальчик, что не было удивлением, это было единственное место для купания, туда почти вся деревня стекалась, я уже расстроился и собрался повернуть домой, как тот пацан меня окликнул... Для меня это тогда был конец света, я даже чуть не расплакался, я не знал что делать в этой ситуации, надеялся что это не меня позвали, думал что делать, повернуться или побежать. Пока я думал, этот мальчик подошёл ко мне и... Дальше помню смутно... Мы заговорились как-то и даже подружились, его звали Дёма, он узнав о моей проблеме решил меня вылечить, познакомив со своими приятелями, слава богу я тогда не убежал, а то до сей поры был бы интровертом-социофобом, как я благодарен Дёме за то, что он РЕАЛЬНО СМОГ меня вылечить, так вот к истории, привёл он меня в ту компанию, чему ребята были рады, познакомил меня со всеми (как я боялся что меня не примут, хотя одновременно очень надеялся на это), моих будущих друзей звали Михей, Дёма, Женя, Кеша и я. И вот в один день нам было нечего делать, придумывали вскую фигню, маялись, страдали, пока от одного из ребят не поступило предложение придумать псевдонимы и название команды, мы обрадовались и ПОЧТИ ЦЕЛЫЙ ДЕНЬ потратили на придумывание, и вот что мы надумали, наши ники сделать из первых букв наших имён, а фамилией взять название нашей деревни, так я и стал Джим Геззет ( Дёма, Женя, Иннокентий, Михей), Дёма стал Ижим Геззет, Кеша стал Дижм ( в последствии Дижим), Миха получился Идиж Геззет, а Кеша стал Кимд( в последствии Кимид) Геззет. Мы прожили долго с этими именами, пока не стала разваливаться наша деревня и наша компания, первым нас покинул Женька, он уехал в город, буквы в наших никах стали постепенно исчезать, я стал Димом, после нас подставил Кеша, там неприятная история с кражей в магазине, я стал Дэм, потом к нашему делу потерял интерес Дёма, я стал Имом, а потом уехал и я, мой псевдоним просто исчез, буквы закончились, что счас с Михеем и Дёмой (про Кешу даже и не спрашиваю), я не знаю, вот только от родственников узнал что деревни больше нет, молодые уехали, а бабки с дедами померли, остались только дома, не существует больше не Гезево, не Джима Геззета, а чем сейчас заняты мои друзья и живы ли они, я не знаю. Но я благодарен вам: Дементий Синзеров, Михей Мартынов, Евгений Гламаев и даже Иннокентий Тетерский. Вы меня вылечили и помогли мне... Спасибо.
Генезис
Вы двое были выбранны для заселения новой планеты, что бы спасти наш род.
-Ева, ты готова?
-да, Адам.