Traditsiooniline eluvormide rühmitamine prokarüootideks ja eukarüootideks vaadati üle 1977. aastal, kui rRNA järjestuse iseloomustus näitas, et arhead (tollal nimetati "arhebakteriteks") on "sama kaugel suguluses bakteritega kui bakterid eukarüootidega". See tingis elusorganismide rühmitamise. eubakteriteks (hõlmab kõiki tüüpilisi baktereid), arheateks ja eukarüootideks. Eukarüootide päritolu küsimus jäi alles. Aja jooksul hakkasid kogunema tõendid eukarüootide arheaalsete esivanemate kasuks. Eriti huvitav oli avastus, et Asgard arhea genoomis on mitusada eukarüootsete signatuurvalkude (ESP) geene. ESP-d mängivad otsustavat rolli tsütoskeleti ja eukarüootide keeruliste rakustruktuuride omaduste arengus. 21. detsembril 2022 avaldatud murrangulises uuringus on teadlased teatanud raskesti tabatava Asgardi arhee rikastatud kultuuri edukast kasvatamisest, mida nad kujutasid krüoelektrontomograafia abil. Nad täheldasid, et Asgardi rakkudel oli tõepoolest kompleksne aktiinipõhine tsütoskelett. See oli esimene otsene visuaalne tõend eukarüootide arheaalsest päritolust, mis on oluline samm eukarüootide päritolu mõistmisel.
Kuni 1977. aastani rühmitati eluvormid Maal eukarüootid (keerulised vormid, mida iseloomustab raku geneetiliste materjalide kaasamine täpselt määratletud tuumasse ja tsütoskeleti olemasolu) ja prokarüootid (lihtsamad eluvormid, mille geneetiline materjal on tsütoplasmas ilma täpsustatud tuumata, sealhulgas bakterid ja arhebakterid). Arvati, et rakuline eukarüootid arenes välja umbes 2 miljardit aastat tagasi, arvatavasti prokarüootidest. Aga kuidas täpselt eukarüootid tekkisid? Kuidas on keerulised rakulised eluvormid seotud lihtsamate rakuliste eluvormidega? See oli bioloogias suur lahtine küsimus.
Tehnoloogilised edusammud geenide ja valkude molekulaarbioloogias aitasid süveneda probleemi tuumasse, kui 1977. aastal leiti, et arheed (tollal nimetati arhebakteriteks)bakteritega sama kaugel suguluses kui bakterid eukarüootid. "Eluvormide varasem eristamine prokarüootideks ja eukarüootideks põhines fenotüüpsetel erinevustel rakuorganellide tasemel. Selle asemel peaks filogeneetiline suhe põhinema laialt levinud molekulil. Ribosomaalne RNA (rRNA) on üks selline biomolekul, mis esineb kõigis isepaljunevates süsteemides ja mille järjestused muutuvad aja jooksul väga vähe. rRNA järjestuse iseloomustusel põhinev analüüs tingis elusorganismide rühmitamise eubakteriteks (hõlmab kõiki tüüpilisi baktereid), arheedja eukarüootid1.
Seejärel hakkasid ilmnema tõendid tihedamate suhete kohta arhea ja eukarüootide vahel. 1983. aastal leiti, et DNA-st sõltuvad RNA polümeraasid arhea- ja eukarüootid on sama tüüpi; mõlemad näitavad hämmastavalt sarnaseid immunokeemilisi omadusi ja mõlemad on tuletatud ühisest esivanemate struktuurist2. Teises 1989. aastal avaldatud uuringus selgus valgupaari oletatud komposiitfilogeneetilisel puul, mis näitas arheide tihedamat seost eukarüootidega kui eubakteritega.3. Selleks ajaks on arheoloogiline päritolu eukarüootid oli kindlaks tehtud, kuid täpsed arheoloogilised liigid jäid kindlaks tegema ja uurima.
Genoomiuuringute kasv pärast edu genoomi projekt, pakkus sellele alale väga vajalikku täidist. Aastatel 2015–2020 leidsid mitmed uuringud, et Asgard arheed kannavad eukarüootidele spetsiifilisi geene. Nende genoomid on rikastatud valkude suhtes, mida peetakse eukarüootidele spetsiifilisteks. Need uuringud näitasid selgelt, et Asgardi arheel on eukarüootidele kõige lähem geneetiline lähedus, kuna nende genoomis on sadu eukarüootsete signatuurvalkude (ESP) geene.
Järgmine samm oli Asgardi arhee sisemise keldristruktuuri füüsiline visualiseerimine, et kinnitada ESP-de rolli, nagu üldiselt arvatakse, et ESP-d mängivad keeruliste rakustruktuuride moodustamisel võtmerolli. Selleks oli vaja selle arhea kõrgelt rikastatud kultuure, kuid Asgard on teadaolevalt tabamatu ja salapärane. tekitades raskusi kasvatamisel piisavalt suurtes kogustes, et neid laboris uurida. Hiljuti 21. detsembril 2022 avaldatud uuringu kohaselt on see raskus nüüd ületatud.
Teadlased on pärast kuueaastast rasket tööd improviseerinud tehnikaid ja edukalt kasvatanud laboris väga rikastatud kultuuriCandidatus Lokiarchaeum ossiferum', Asgardi hõimkonna liige. See oli märkimisväärne saavutus ka seetõttu, et see võimaldas teadlastel visualiseerida ja uurida Asgardi rakusiseseid struktuure.
Rikastuskultuuri pildistamiseks kasutati krüoelektrontomograafiat. Asgardi rakkudel olid kookoidrakukehad ja hargnenud väljaulatuvate osade võrgustik. Raku pinna struktuur oli keeruline. Tsütoskelett ulatus läbi kogu rakukeha. Keerutatud kaheahelalised filamendid sisaldavad lokiaktiini (st Lokiarchaeota kodeeritud aktiini homoloogid). Seega oli Asgardi rakkudel keeruline aktiinil põhinev tsütoskelett, mille teadlased pakkusid välja enne esimese rakkude arengut. eukarüootid.
See on esimene konkreetne füüsiline/visuaalne tõend eukarüootide arheaalse päritolu kohta, mis on märkimisväärne edasiminek bioloogias.
***
viited:
- Woese CR ja Fox GE, 1977. Prokarüootse domeeni fülogeneetiline struktuur: esmased kuningriigid. Avaldatud novembris 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088
- Huet, J., et al 1983. Arhebakteritel ja eukarüootidel on tavalist tüüpi DNA-sõltuvad RNA polümeraasid. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x
- Iwabe, N., et al 1989. Arhebakterite, eubakterite ja eukarüootide evolutsiooniline seos, mis tuletatakse dubleeritud geenide fülogeneetiliste puude põhjal. Proc. Natl Acad. Sci. USA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355
- Rodrigues-Oliveira, T., et al. 2022. Aktiini tsütoskelett ja kompleksne rakuarhitektuur Asgardi arheonis. Avaldatud: 21. detsember 2022. Loodus (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y
***
