Изглежда, че откриха липсващата връзка между прости и сложни клетки

Учени вероятно са открили липсващата връзка между прости и сложни клетки, които образуват всички животни, растения и гъби.

Учените смятат, че едноклетъчни организми, наречени Археа (Archaea), са звеното между примитивните бактерии, на които липсва ядро, и по-сложните клетки, или еукариоти, на еволюционната времева линия.

Подобно на техните бактериални братовчеди, в Архея липсва ядро, но микробите съдържат ДНК и ДНК-репликиращи ензими, които много наподобяват тези на еукариотите.

Някои учени теоретизират, че еукариотите са се развили преди около 2 милиарда години от междинни организми, като древната Археа, която грабвала преминаващ микроорганизъм, всмуквала го в клетъчния си корем и го трансформирала в импровизирано ядро.

Други предполагат, че древната Археа е изпращала скитащи се „бленди“, изградени от собствената й клетъчна стена, които се прилепвали към едноклетъчни организми и след това ги интегрирала да действат като съвременни органели или органоподобни структури вътре в клетките, които извършват специализирани функции.

Детайлите около това голямо еволюционно събитие остават мътни, отчасти защото учените са открили малко доказателства за преходния период между прости и сложни клетки. Но сега изследователите определят потенциалния мост между прокариоти и еукариоти: поразително сходство, закодирано в техните протеини.

В еукариотите определени протеини носят къси последователности, известни като сигнали за ядрена локализация или NLS, които им позволяват да влязат в ядрото. Протеините транспортери се свързват с NLS и след това ескортират друга молекула през порите в ядрената мембрана. По същество NLS действат като „бадж“ или знак за клетъчна сигурност.

Въпреки че на Archaea липсват ядра, някои от протеините им така или иначе носят „баджове“, подобни на NLS, според проучването, публикувано в списанието Molecular Biology and Evolution. Авторите предполагат, че NLS са предхождали произхода на ядрото и може да са послужили като еволюционна стъпка, която е позволила на Археите постепенно да се развият в по-сложен живот.

„Природата има тенденция да използва това, с което вече разполага“, казва еволюционният биолог Сергей Мелников, докторант- изследовател в Йейлския университет и съавтор на изследването. Тези „баджове“ на NLS предоставят доказателства за междинна форма между прости и сложни клетки – находка, еквивалентна на разкриването на подобен на птица динозавър или пълзяща риба от палеонтолозите, казва Мелников пред LIve Science.

„Това е доста уникално да се твърди, че те съществуват в Археиа … Никой дори не си е мислил, че трябва да търси NLS в Археиа“, казва биологът Аравинд Айер, който изучава протеина и генома в Националния център по биотехнологии и информация, но не е участвал в настоящото проучване.

Не всички обаче са убедени в откритието: Двама експерти заявяват пред Live Science, че NLS може да не е еволюционният спусък, който показва как прости клетки са се развили в по-сложни.

Вместо да копае за останки от миналото, Мелников се опитва да „копае“ рибозомните протеини на клетките, за да събере еволюционната им история. (Рибозомите са клетъчните фабрики, които помагат за събирането на протеини.)

„Има само шепа гени, които са повсеместни“, което означава, че те присъстват във всички форми на живот, казва Мелников. Около половината от тези запазени гени кодират рибозомни протеини, факт, който предполага, че протеините имат продължително еволюционно наследство, вероятно простиращо се до началото на самия живот. В еукариотите рибозомните протеини влизат в ядрото, за да бъдат модифицирани, така те се радват на лесен достъп до ядрото благодарение на своите NLS.

Сравнявайки структурата на рибозомните протеини, взети от всичките три области на живота – Археа, Бактерия и Еукария, Мелников има за цел да открие тези подписи. Групите Археа, които той изследва, са сред тези, които и днес могат да бъдат открити в природата.

Мелников и неговите колеги откриват четири археични протеина, оборудвани със значки за сигурност, подобни на техните еукариотни колеги. Подобни на NLS последователности се появяват в множество групи на Археа, така че изследователите заключават, че характеристиката се е появила още в началото на археалната еволюционна история. (В Archaea, обаче, NLS вероятно основно помагат на организмите по-лесно да идентифицират нуклеиновите киселини, градивните елементи на ДНК и РНК. Докато еукариотичните NLS също обслужват тази функция, но те са по-известни с това, че помагат на протеините в ядрото.)

Екипът продължи да тества дали NLS са функционално взаимозаменяеми в кралствата на живота, като заменя еукариотна значка за такава на Археа. Под микроскоп изглежда, че NLS на Археа работят точно като NLS на еукариотни клетки и предоставят на свързаните с тях протеини ВИП достъп до ядрото. Въпреки споделянето на едни и същи функции, NLS в еукариотите и в Архея, може да не са еволюционно свързани, казват експертите.

Айер, например, има съмнения за констатацията за свързаност. NLS са съставени от само пет до шест протеинови градивни блока, наречени аминокиселини. Поради късата си дължина и специфичната химична структура, NLS статистически е вероятно да се появят в протеини само случайно, казва Айер пред Live Science.

С други думи, археалната и еукариотната последователности може да са изскочили независимо и следователно да не са еволюционно свързани. Айер казва, че ще бъде по-убеден, ако по-нататъшното изследване разкрие археални NLS в допълнителни протеини, подобни на тези, които влизат в ядрото в еукариотите.

„В крайна сметка това просто показва, че тези [подобни на NLS] последователности вероятно предшестват ядрата“, заяви Бъз Баум, клетъчен и еволюционен биолог от лабораторията за молекулярно-клетъчна биология MRC в Англия пред Live Science. Archaea, които споделят много генетични прилики със съвременните еукариоти, все още нямат ядра и органели, обяснява той, така че е трудно да се види как тези NLS водят до развитието на ядра.

Статията първоначално е публикувана в Live Science.