Происхождение эукариот. Часть вторая - кто-кто в теремочке живёт?

Симбиотическая теория происхождения эукариот в настоящее время считается более-менее общепринятой. Тем не менее, как актёры данной пьесы, так и её возможный сценарий, остаются предметом бурных дебатов. Недавно в журнале Химия и Жизнь был опубликован цикл замечательных обзоров М.А.Никитина о происхождении жизни. В заключительной статье данного цикла рассказывается о возможной роли вирусов в происхождении эукариот. Автору весьма близки изложенные в этой публикации идеи. Однако, на мой взгляд, есть ряд вопросов, на которые вирусная теория в том виде, в каком она существует на сегодняшний день, либо с трудом находит удовлетворительные ответы, либо вообще обходит их стороной. Перечислю главные из них.

1. Мембрана эукариот и клеточного ядра гораздо больше похожа на бактериальную, чем на архейную.

2. Непонятно эволюционное происхождение межмембранного перинуклеарного пространства (люмена), отделяющего ядро от цитоплазмы клетки.

3. Для предположительно эволюционно более древних эукариот (например, протистов) типичен не открытый, как предсказывает классическая вирусная теория, а закрытый митоз.

4. Вопрос механизма появления в процессе эволюции несвойственного прокариотам фагоциотза так и остаётся без внятного ответа.

На мой взгляд, на основе некоторых идей, изложенных в ещё одной работе на тему происхождения эукариот, вирусной гипотезы, а так же изложенных в первой статье данного цикла фактов, допускающих связь эукариот со спорулирующими бактериями, можно поспекулировать о следующем возможном сценарии. Достаточно давно, ну, скажем для определённости, не менее 2 миллиардов лет назад, в биосфере Земли жили-поживали бактерии, являющиеся отдалёнными родственниками нынешних фирмикут. Их основной метаболический цикл - метаногенез в своё время произошёл от основного метаболического цикла фирмикут - ацетогенеза. Как следствие, оба метаболических цикла сохранили много общих черт - по существу один и тот же базовый комплекс заключительного этапа ацетилирования коэнзима А, перемещение в процессе работы метаболической цепочки ионов натрия против градиента их концентрации из цитоплазмы во внешнюю среду, одни и те же молекулы на входе цикла (CO₂ и H₂). Так же как и фирмикуты, эти бактерии (назовём их для определённости про-археями) обладали способностью к спорогенезу. Ну и, конечно, уже в то время неотъемлемой частью биоты были вирусы, включая сложные ДНК-вирусы, способные кодировать до нескольких сотен генов. Вполне возможно, что уже существовало и описанное в статье М.А.Никитина семейство больших нуклео-цитоплазматических ДНК вирусов. Так как эукариот ещё не было, то "паслись" они, вероятно, на бактериях. При этом, одной из возможных стратегий для них могло быть не быстрое убийство клетки хозяина в процессе производства своих многочисленных копий, а частичное взятие некоторых процессов в ней (в первую очередь, размножения и синтеза протеинов) под свой контроль, что позволяло перенастроить функционирование некоторых подсистем бактерии-жертвы в интересах самого вируса. Один из способов добиться этого заключается в том, что бы вырезать из генома заражённой бактерии ту его область, которая отвечает за эти важные информационные функции, заменив соответствующие гены своими собственными, "заточенными", естественно, уже под нужды самого бактериофага. Это было бы вполне в духе популярной концепции "эгоистичных генов", изложенной в известной книге Докинза. Но ситуация с двумя геномами (бактериальным и вирусным), имеющими разное строение и, в некотором смысле, противоположные интересы, в долгосрочном плане, по-видимому, неустойчива. Как вполне справедливо утверждал один из героев известного рассказа американского писателя О.Генри, "Боливар не вынесет двоих!". Соответственно, временно установившееся шаткое равновесие, скорее всего, рано или поздно нарушится, и какой-то из двух геномов в итоге перетащит все важные для полноценного функционирования клетки гены к себе, обрекая своего конкурента на вырождение. В зависимости от того, кто "победил" у потомков этого странного гибрида в конкурентной войне, и появились два других (кроме бактерий) домена сегодняшнего клеточного мира - археи и эукариоты. Впоследствии представители той ветви дерева потомков, в которой "победил" кольцевой геном прокариот, в силу ряда обстоятельств изменили состав и некоторые детали строения своих мембран, превратившись в архей. Но эта тема заслуживает отдельного рассмотрения, а в данной статье нас больше интересует судьба другой ветви, той, в которой "победу" одержал линейный геном ДНК вируса. Речь, понятное дело, об эукариотах. В уже упоминавшейся выше работе предлагается новая теория происхождения эукариот на основе некого симбиотического образования, которое в результате долгой эволюции превратилось в эукариотическую клетку, причём, люмен при этом трактуется как наследие той части внешней среды (вероятнее всего, морской воды), которая была захвачена одной из симбиотических клеток в результате постепенного "заключения в объятья" своего партнёра по симбиозу. В качестве косвенного подтверждения своей теории авторы упоминают, в частности, такой факт, как качественно аналогичное соотношение (по сравнению с цитоплазмой) концентрации ионов кальция, натрия и калия (много кальция и натрия, мало калия) в люмене и морской воде. Дополнительным аргументом в пользу гипотезы о том, что перинуклеарное пространство это, по сути, часть внешней среды, "зажатая" между двумя мембранами, некогда выполнявшими функции внешних мембран прокариот, является обнаружение на их стороне, обращённой в сторону люмена, гликолизированных белков, что характерно как раз для клеточных стенок бактерий и архей (см. несколько более подробное обсуждение данного факта в комментариях М.А.Никитина к соответствующей статье). На мой взгляд, предложенная авторами гипотеза весьма интересна, и может отражать некоторые реальные этапы в процессе появления эукариотической клетки. В то же время, она оставляет за скобками множество других особенностей эукариотических организмов и по этой причине вряд ли может претендовать на право всеобъемлющей и окончательной. Тем не менее, как мне кажется, своеобразный симбиоз вышеупомянутых теорий, вместе с описанными в первой части фактами, позволяющими связать появление эукариот со спорулирующими бактериями, может породить вполне жизнеспособную, и отвечающую на многие неясные до сих пор вопросы, гипотезу.

Но прежде чем перейти к её изложению, давайте вначале проверим, насколько убедительным выглядит наше предположение о том, что археи и эукариоты могли появиться в результате утраты (случайной или инициированной вирусом) фирмикутами значительной части своих информационных генов, ответственных за размножение и синтез белков. Если говорить о размножении, то у подавляющего большинства фирмикут основной ген, инициирующий процесс деления клетки (DnaA) расположен в районе точки начала репликации ДНК, из которой в разные стороны стартуют две репликационные вилки. Примерно в этом же районе расположены и другие уникальные для репликационного аппарата бактерий гены, в частности, кодирующие обе субъединицы ДНК-гиразы, ослабляющей натяжение нитей ДНК (так называемая релаксация), что, в свою очередь, значительно облегчает их расплетение, субъединицы дельта, гамма и тау главной бактериальной ДНК-полимеразы и некоторые другие. Таким образом, само собой напрашивается предположение, что именно в районе точки начала репликации ДНК и могла произойти указанная делеция части генома у той бактерии, которая впоследствии дала начало линиям архей и эукариот. На этом же участке генома расположено и много генов, кодирующих рибосомные белки. Данное обстоятельство позволяет осуществить независимую проверку нашей гипотезы. Дело в том, что часть рибосомных белков являются универсальными, то есть, они присутствуют в геномах всех трёх доменов клеточной жизни - бактерий, архей и эукариот. Другие белки являются уникальными для одного или двух доменов. Если фирмикуты, у которых произошла делеция в районе точки начала репликации, действительно являются общим предком архей и эукариот, то логично ожидать, что в этой области генома у них должны быть сосредоточены гены, кодирующие белки, характерные только для бактериальных рибосом. Это предположение легко проверить по той причине, что последовательность генов в геноме фирмикут, особенно, в интересующем нас районе около точки ORI, очень консервативна. Возьмём, к примеру, типичного представителя фирмикут анаэробную бактерию Acetohalobium arabaticum. Информация о присущих только бактериям, и "универсальных" рибосомных протеинах приведена, например, в таблице номер 1 из приложения к этой публикации. Выполнив несложный подсчёт, мы обнаружим, что в области, отстоящей от точки начала репликации примерно на 165 тыс. пар нуклеотидов в обе стороны, присутствует 6 генов, кодируюших протеины из указанной таблицы (поимённо - L25, L33, S6, S18, L9, L31), причём, все они без исключения являются уникальными для бактерий. Если провести оценку вероятности того, что данная ситуация сложилась случайно, то, учитывая, что в таблице приведены 34 универсальных протеина и 23 уникальных для бактерий протеина, получим, что она составляет величину менее 1%. Думается, это весьма веский аргумент в пользу "делеционной" гипотезы причин отсутствия многих бактериальных информационных генов у архей и эукариот.

Следующим фактом, важным для излагаемой нами гипотезы, является вероятная тесная связь процесса споруляции с появлением бактерий, имеющих двойную мембрану. Говоря коротко, по последним данным, по крайней мере у некоторых из тех фирмикут, которые имеют двойную мембрану, дополнительный (внешний) липидный слой дочерной клетки формируется в процессе споруляции из мембраны материнской клетки, подробнее см. здесь. Это позволяет предположить, что все грам-отрицательные бактерии могли произойти в результате спорогенеза фирмикут или других родственных им бактерий. Ещё одним камушком нашей мозаики являются бактерии-хищники, паразитирующие на других грам-отрицательных бактериях. Общая стратегия заражения при этом заключается в том, что хищник прикрепляется к клеточной стенке бактерии жертвы, после чего проделывает сквозное отверстие в ней, и прилегающей к ней внешней мембране. Через него хищная бактерия проникает в межмембранное пространство, а затем заделывает проделанное ранее отверстие. В итоге всех этих манипуляций бактерия-агрессор оказывается внутри бактерии-жертвы (точнее, говоря, в пространстве между её мембранами), и начинает там активно размножаться, без зазрения совести потребляя её  энергетические и материальные ресурсы. В результате, межмембранное пространство постепенно увеличивается, а пространство, окружённое внутренней мембраной, содержащее ДНК бактерии-жертвы, её рибосомы и другие важнейшие системы поддержания её жизнедеятельности, наоборот, постепенно сжимается как воздушный шарик, из которого выходит воздух. Всё это в конце-концов приводит к гибели жертвы, её внешняя мембрана разрушается, и многочисленное потомство хищника выходит во внешнюю среду. Подробнее про это можно прочитать здесь. Большинство хищных бактерий принадлежит к группе дельта-протеобактерий, однако, недавно было открыто ещё одно семейство хищных бактерий, принадлежащих, по-видимому, к древней ветви альфа-протеобактерий, произошедших в своё время от описанных выше хищных дельта-протеобактерий. Это семейство (Microvibrio) располагается на филогенетическом дереве между хищными дельта-протеобактериями (Bdellovibrio) и митохондриями, являющимися, как известно, облигатными симбиотами эукариотической клетки. Хотя данные альфа-протеобактерии не вторгаются внутрь клетки-жертвы, предпочитая "сосать из неё соки", оставаясь прикреплёнными к ней снаружи, явная филогенетическая связь между ними позволяет предположить, что все три группы организмов (Bdellovibrio, Microvibrio, митохондрии) могли произойти от одного общего предка, после чего бактерии из семейства Microvibrio изменили тактику, предпочтя оставаться снаружи бактерии-жертвы. Далее, по последним данным, по крайней мере бактерии Bdellovibrio обычно вторгаются внутрь бактерии жертвы тогда, когда внешние условия становятся для них неблагоприятными. Проще говоря, они пытаются "пересидеть" неблагоприятный период внутри (к этому времени уже мёртвой) клетки жертвы, выходя наружу, когда условия внешней среды вновь становятся способствующими активному размножению. Эта стратегия в какой-то степени напоминает стратегию пережидания неблагоприятных внешних условий путём образования споры у фирмикут. Примечателен и следующий один открытый недавно важный факт - бактерии-хищники могут сосуществовать внутри заражённой клетки вместе с паразитирующими на ней ДНК-вирусами, как минимум, не мешая друг другу.

Наконец, обратим внимание на ещё одну особенность эукариот. Важнейшим средством коммуникации между различными компонентами их клеток являются липидные пузырьки, так называемые везикулы. Каждая везикула может служить средством транспортировки сложных органических молекул, в частности, белков (одним из наиболее хорошо изученных частных случаев является доставка ими синтезированных на эндоплазматическом ретикулуме протеинов в аппарат Гольджи для их окончательного созревания). Более того, экспортируемые во внешнюю среду везикулы активно используются как эукариотами, так и прокариотами, как носители сигнальных молекул (для межклеточной коммуникации) и средство доставки к организму-жертве токсинов. Для фиксации транспортируемых молекул на внешней стороне пузырька используются специальные белковые комплексы. При этом, весьма интересным является тот факт, что данные комплексы, по видимому, имеют достаточно много общего с некоторыми белковыми структурами, входящими в состав ядерных пор, что наводит на мысли о возможной общности их происхождения (подробнее см., например, здесь). Данное подозрение ещё более усиливается на фоне недавнего открытия факта выделения некоторыми грибами во внешнюю среду везикул, содержащих РНК. При этом, активно экспортируются практические все известные виды РНК (тРНК, рРНК, иРНК, микроРНК). Подобные везикулам структуры используют и упомянутые в начале данной статьи большие нуклео-цитоплазматические ДНК вирусы. В данном случае экспорт уже размноженных и упакованных линейных ДНК во внешнюю среду осуществляется путём отшнуровки вируса от внешней мембраны клетки (при этом он одевается дополнительной липидной оболочкой). Похожий механизм используется так же бактериофагом PRD1 и другими родственными ему вирусами (опять же, см. упомянутую выше статью М.А.Никитина). 

 Итак, с учётом вышеизложенного, попробуем собрать все детали в один пазл. Предположим, что некая бактерия-метаноген, близкая к фирмикутам, но имеющая типичную бактериальную мембрану (условная прото-архея), была заражена описанным выше ДНК-фагом с большим геномом. Как уже было сказано, одна из возможных стратегий для вируса-паразита в этом случае заключается в том, что бы сосуществовать какое-то достаточно продолжительное время вместе с хозяином, например, в виде плазмиды, взяв под контроль некоторые важные для него функции, выполнявшиеся до этого хозяйской ДНК. Исповедующие подобную стратегию вирусы, как и все живые организмы, заинтересованы в том, что бы растиражировать свои гены в как можно большем количестве экземпляров. Что бы добиться этой цели полезно активно распространять копии своих геномов как вертикально (от материнских клеток к дочерним), так и горизонтально, путём конъюгации, которую можно рассматривать в качестве некого сильно упрощённого аналога полового процесса. В обоих случаях помочь активизации процесса распространения вирусного генома может выделение во внешнюю среду везикул "оснащённых" различными органическими молекулами. В частности, облегчить поиски партнёра для конъюгации могут везикулы с сигнальными молекулами, а ускорить рост и деление клетки-хозяина (или жертвы, это смотря как посмотреть) могут везикулы с токсинами, убивающими бактерии других видов, которые конкурируют за ресурсы с "хозяйской" клеткой. Более того, после гибели "отравленной" клетки вся содержащаяся в ней органика попадает во внешнюю среду, так что в ней появляется очень много "вкусняшек", поглощение которых весьма способствует активному росту и размножению оставшихся в живых бактерий. Можно предположить, что везикулы могли так же активно использоваться ДНК-вирусами для доставки синтезированных ими РНК до других бактерий и последующего внедрения  в них. Это предоставляет широкие возможности дистанционно влиять на поведение окружающих заражённую бактерию организмов в интересах самого вируса. Например, с иРНК, внедрённых в клетку бактерии-жертвы, могут синтезироваться нужные вирусу белки, микроРНК теоретически позволяют регулировать экспрессию тех или иных групп генов на её хромосоме и т.д. Получив, таким образом, почти безграничную власть над окружающими бактериями, вирус, в зависимости от складывающейся ситуации, может "по своему желанию" вызывать гибель находящихся поблизости других клеток, инициировать конъюгацию с бактериями, принадлежащими к тому же штамму, что и его жертва, и т.д. Отметим, что ситуация контроля достаточно просто устроенного паразита за поведением своего гораздо более сложно устроенного хозяина, в принципе, типична для различных симбиотических систем. 

Теперь давайте рассмотрим следующий сценарий. Предположим, что на поздних этапах споруляции, когда дочерняя клетка уже целиком находится внутри материнской, причём, их разделяет тонкий слой воды, находящийся в ней вирус продолжает попытки выделения во внешнюю среду везикул, содержащих синтезированные им РНК. Но типичный размер везикул ощутимо больше расстояния между внешней мембраной дочерней клетки и внутренней мембраной материнской клетки. Это создаёт предпосылки для возможного "застревания" везикул в узком пространстве люмена. Исходно липидные пузырьки могли использоваться для доставки вирусной иРНК в материнскую клетку, что бы таким образом осуществлять контроль её поведения (скажем, отсрочить или вообще остановить поздние этапы споруляции, давая, тем самым, возможность вирусной ДНК размножить свой геном, тем более, что синтез большого количества высокоэнергетических органических соединений, сопутствующий поздним этапам споруляции, весьма этому способствует). В конце концов, везикулы, зажатые внутри люмена, при благоприятных условиях могли начать работать в качестве своеобразных "туннелей", связывающих заражённую вирусом дочернюю клетку с материнской, тем более, что некая начальная предадаптация к этому в виде белковых транспортных комплексов (см. выше), у них уже была. Таким образом, вирус, заключённый в дочерней клетке, как в ловушке, оказался способен влиять на процессы в материнской клетке за счёт внедрения в неё через указанные "туннели", являющиеся предтечей ядерных пор, своих молекул иРНК. При подобном сценарии линейная ДНК вируса могла остаться в "дочерней" клетке навсегда, реплицируясь по механизму плазмиды вместе с репликацией ДНК дочерной клетки, причём, "внешняя" (бывшая "материнская") клетка при этом могла относительно быстро потерять свою собственную ДНК (ведь она по сути дублировала ДНК дочерней клетки), а её внешняя мембрана при усилении синтеза жирных кислот просто чисто механически разделялась на два мембранных пузырька, каждый из которых содержал одну или несколько "внутренних" клеток (будущих ядер эукариот). Отметим, что похожий способ размножения можно и сейчас наблюдать у так называемых бактериальных L-форм, представляющих из себя бактериальные клетки, по тем или иным причинам утратившие клеточную стенку. Все в той или иной степени полезные гены кольцевой хромосомы дочерней клетки постепенно перекочёвывали в линейные хромосомы вируса, так что, её полное исчезновение было лишь делом времени. Процесс деления "внутренних" клеток в такой ситуации стал напоминать закрытый митоз, характерный как раз для наиболее архаичных эукариот. В какой-то момент в вышеописанный химерный организм, "перепутав" его с обычной бактериальной клеткой, вторглись хищные альфа-протеобактерии, родственные Bdellovibrio, и использующие аналогичную тактику. Но вместо периплазматического пространства они оказались в цитоплазме "внешней" клетки прото-эукариота. По этой причине их тактика в этот раз не сработала, и сильно размножиться с последующим выходом наружу, им не удалось. Но, в то же время, их способность нейтрализовывать токсичный для многих спорулирующих бактерий кислород, и, при этом, одновременно синтезировать в больших количествах АТФ, могла оказаться для гибридного организма настолько ценным приобретением, что он в итоге не только позволил "прописаться" митохондриям у себя на постоянной основе, но и получил при этом такие существенные преимущества, что все прото-эукариоты, не содержащие митохондрий, в конце концов вымерли, не выдержав конкуренции с их более "продвинутыми" родственниками. На мой взгляд, важным является так же тот факт, что внешняя мембрана митохондрий делится независимо от размножения самих митохондрий (вместе с их "родной" внутренней мембраной), что может намекать на то, что при проникновении в клетку-жертву их предок (гипотетическая альфа-протеобактерия) использовала отшнуровку от её мембраны, которая, таким образом, превращалась в их дополнительную внешнюю мембрану. Если это действительно так, то выходит, что будущие митохондрии были не захвачены эукариотической клеткой (наподобие того, как охотятся современные амёбы), а наоборот, пытались её атаковать, но в результате сами оказались её пленниками. Наконец, интересно отметить, что микроспоридии, которых есть некие основания считать одними из меньше всего проэволюционировавших первых эукариот (см. первую часть), после попадания в клетку хозяина тоже оказываются окружёнными дополнительной мембраной. Конкретный механизм её появления в настоящее время неизвестен, но, можно предположить, что он мог произойти от механизма "заимствования" фрагмента внешней мембраны клетки-хозяина, свойственного большим нуклеоплазматическим ДНК-вирусам и/или бактериальным предкам митохондрий.