Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий

Учeныe из Чexии и Кaнaды исслeдoвaли oднoклeтoчный эукaриoтичeский oргaнизм Monocercomonoides, утeрявший в xoдe эвoлюции митoxoндрии. У эукaриoт в митoxoндрияx для oкислeния кислoрoдoм oргaничeскиx сoeдинeний, зaпaсaeтся энeргия, этa функция oбслуживaeтся кoмплeксoм митoxoндриaльныx и ядeрныx гeнoв. Нo Monocercomonoides нe oбнaружeнo ни митoxoндриaльныx, ни ядeрныx гeнoв, связaнныx с этoй функциeй. Кaк oкaзaлoсь, Monocercomonoides мoг пoлнoстью oткaзaться oт митoxoндрий, пoлучив в рaмкax гoризoнтaльнoй пeрeдaчи гeнoв, нaбoр нeoбxoдимыx бaктeриaльныx фeрмeнтoв.

В учeбникax биoлoгии нaписaнo, что эукариоты отличаются от прокариот наличие ядра, митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи и других мембран органелл. Но, как оказалось, из определений классики найдутся и исключения. Таким образом, команда биоинформатиков, представляющих лаборатории в нескольких университетах в Чехии и Канаде, посчастливится изучить эукариотический организм без митохондрий.

Первоначально, считалось, что без митохондрий — органелл, запасающих в клетке энергию в виде АТФ, — эукариотическая клетка не может существовать. Затем, были найдены эукариотические одноклеточные организмы, без митохондрий (например, лямблии, трихомонады Trichomonas vaginalis, дипломонады рода Spironucleus – все это одноклеточные паразитические), и необходимость митохондрий была подвергнута сомнению. На этом этапе (середина 80-х годов XX века) активно разрабатывалась гипотеза о симбиотическом происхождении эукариот. Таким образом, вероятность существования “переходных” клеток с ядром, но без митохондрий — так называемых царство Архезоа (Archezoa) — выглядит вполне логично.

Но потом оказалось, что эти “переходные” формы, однако являются производными от митохондрий органеллы: митосомы на лямблии, гидрогеносомы на трихомонады и похожие на гидрогеносомы небольшие органеллы мембранные в Spironucleus. Во всех этих структурах работали сложных специфических митохондриальных ферментов и их функции так или иначе связаны энергетического обмена. Когда доказательства митохондриальной природы этих органелл не вызвало сомнений, всем архезойная понятие и потеряла реальную поддержку. Утвердилось мнение о том, что эукариоты без митохондрий невозможно.

В связи с этим и был выпущен нормальное исследование другого тела без очевидных митохондриях — Monocercomonoides sp. из кишечника шиншиллы. Представитель метамонад (см.: Metamonad) — жгутиковых простейших, которые не имеют нормальных митохондрий. Ученые планировали, чтобы прочитать геном этого организама и, в частности, для того, чтобы определить наличие и локализацию генов, связанных с митохондриальной функции.

Эту задачу выполнили — геном был прочитан с большой точностью. Он был довольно высок — 75 миллионов пар оснований (это в два раза меньше, чем трихомонады, но 5-6 раз больше, чем на лямблии); он определил 16 627 белок-кодирующих генов. Но нормального комплекса генов, связанных с митохондриями у эукариот (в частности, гены, ферменты, которые осуществляют транспортировку и сортировку пептидов через митохондриальные мембраны, — так называемые “механизмы сортировки и сборки”, см. sorting and assembly machinery), так и не было обнаружено. Кроме того, не выявилось ни одного гена мембранных транспортеров АТФ, которые являются общими в других метамонад. Они перекачивают АТФ из гидрогеносом и митосом наружу. Не было и генов белков, которые обеспечивают контакт эндоплазматический ретикулум с митохондриями (см.: Endoplasmic reticulum–mitochondria connections) или производных.

Решив, что дело может быть резкой специализации этого генетического комплекса, ученые были заняты поиском отсутствуют во всех обширных баз данных геномной. Но не найден ни один подобный генов специфические особенности, связанные исключительно с митохондриями. Другими словами — не нашел ничего, что указывало бы на работе митохондрий или их аналогов, для получения энергии с биохимическим методом, который использует, как правило, эукариоты. В то время как эти странные организмы добывают себе энергию?

Гены ферментов, ответственных за метаболизм, Monocercomonoides найдено. Их комплекс позволяет этому одноклеточному сломать глюкозы в анаэробных условиях, а дальше, и пируват, конечный продукт анаэробного гликолиза, до водорода или этанола и уксусной кислоты. Кроме того, Monocercomonoides имеет ферментным набор для расщепления аминокислоты аргинина; этот метаболический путь даже более эффективен, чем анаэробный гликолиз. Таким образом, обмен веществ, как известно, на лямблии и трихомонады, и течет прямо в цитоплазме.

Для получения энергии и передачи ее СПС важнейшую роль играют потоки электронов, так биомолекулярные провода. В живых организмов, их функцию выполняют белки с железосерными кластеров (Fe—S-кластеров, см.: R. Lill, У Mühlenhoff, 2006. Iron-sulfur protein biogenesis in eukaryotes: components and mechanisms). Они характеризуются мобильных связей между железа и серы, и благодаря этому могут участвовать в переносе электронов. Как правило, у эукариот эти белки с Fe—S-кластеры производятся в митохондриях (у растений — в пластидах). На бактерий и архей, очевидно, есть, эти самые важные белки — без них, передача энергии будет остановить. Но они синтезируются с их помощью, бактериальных, набор ферментов в цитоплазме. Как оказалось, Monocercomonoides для синтеза Fe—S-кластеров бактериальных пользуется набор ферментов, и не эукариотическим. Те же бактериальные ферменты находились в Paratrimastix pyriformis, родственник Monocercomonoides.

Рис. 2. Верхней: эукариотический организм с митохондриями, в которых работает комплекс ферментов сборки Fe—S-кластеров (Iron-Sulfur Cluster, ISC). В среднем: от организмов с редуцированными митохондриями (митосомами, гидрогеносомами) кислородное дыхание и, соответственно, кислородное фосфорилирование продуктов гликолиза отсутствует, вместо них включаются другие реакции производства АТФ, но железосерные кластеры синтезируются проверенным способом. В нижней части: к полной потере митохондрий органов пришлось заменить митохондриальный комплекс ISC бактериальных набор SUF (Sulfur mobilization), который также справляется с производством железосерных кластеров (см. Iron-sulfur cluster biosynthesis). Рисунок обсуждали статью в Current Biology

Исследователи считают, что Monocercomonoides это, пока, единственный известный эукариотический организм, полностью отказавшийся митохондрий, и все, что с ними связано. Отсутствие жизненно-важные функции митохондрий, такие как синтез Fe—S-кластеров, выполнили, заимствуя от бактерий, минимальный комплекс ферментов (рис. 2, 3).

Рис. 3. Схема эволюции митохондрий метамонад. Нормальные митохондрии редуцируются к митосом или других подобных органелл, но работает эукариотические компонентов сборки Fe—S-кластеров (ISC). Предки Monocercomonoides и Paratrimastix получают бактериальный комплекс для синтеза Fe—S-кластеров (SUF) это позволяет им отбросить ферментов ISC-комплекс. В Monocercomonoides исчезают и митосомы. Параллельно, другие метамонад, не получили дополнительного цитоплазматический комплекс для синтеза Fe—S-кластеров, остаются митосомы или их коллеги с оригинальной митохондриальным комплексом ГИС. Рисунок обсуждали статью в Current Biology

Вряд ли Monocercomonoides — первичная безмитохондриальный эукариотический организм. В конце концов, не его родича Paratrimastix pyriformis являются митосомы, и, следовательно, Monocercomonoides просто переместилась на пути выхода из митохондрий немного дальше. Для этого очень полезно прихваченные в бактерии полезные ферменты. Этот пример подчеркивает, ученые, показывают, что эукариоты не так доступны для горизонтальной передачи генов, как это принято. Они могут усваивать чужие гены, даже и бактериальные.

И что более важно, Monocercomonoides демонстрирует принципиальную возможность существования безмитохондриальной ядерной клетки. Такой организм не может жить в низкокислородной или среде без кислорода, в условиях высокой концентрации органических веществ, серы и железа. А как он располагает их биохимическим арсенал, бактериальной или эукариотическим, это дело личное, что может быть получено.

Источник: Анна Karnkowska, Vojtěch Vacek, Zuzana Zubáčová, Себастьян C. Treitli, Русский Petrželková, Лора Eme, Lukáš Novák, Vojtěch Žárský, Lael D. Barlow, Эмили, К. Герман, Петр Soukal, Miluše Hroudová, Павел Doležal, Courtney W. Лестницы, Эндрю Дж. Роджер, Марек Eliáš, Joel B. Dacks, Čestmír Vlček, Владимир Hampl. Чтобы Eukaryote without a Mitochondrial Органами // Current Biology. 2016. Ст. 26. P. 1-11. DOI: 10.1016/j.куб.2016.03.053.

Елена Наймарк

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.