» » Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий

Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий


Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий

Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий

Рис. 1. Monocercomonoides globus — одноклеточный эукариотический организм, потерявший не только митохондрии, но и все гены, связанные с их работой. Фото с сайта tolweb.org


Ученые из Чехии и Канады исследовали одноклеточный эукариотический организм Monocercomonoides, утерявший в ходе эволюции митохондрии. У эукариот в митохондриях за счет окисления кислородом органических соединений запасается энергия, эта функция обслуживается комплексом митохондриальных и ядерных генов. Но у Monocercomonoides не обнаружено ни митохондриальных, ни ядерных генов, связанных с этой функцией. Как выяснилось, Monocercomonoides смог полностью отказаться от митохондрий, получив в ходе горизонтального переноса генов набор необходимых бактериальных ферментов.

В учебниках по биологии написано, что эукариоты отличаются от прокариот наличием ядра, митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи и других мембранных органелл. Но как выяснилось, из классических определений найдутся и исключения. Так, команде биоинформатиков, представляющих лаборатории в нескольких университетах Чехии и Канады, посчастливилось исследовать эукариотический организм без митохондрий.

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

Но затем оказалось, что у этих «переходных» форм всё же имеются производные от митохондрий органеллы: это митосомы у лямблий, гидрогеносомы у трихомонад и похожие на гидрогеносомы мелкие мембранные органеллы у Spironucleus. Во всех этих структурах работали комплексы специфических митохондриальных ферментов, и их функции так или иначе связаны с энергетическим обменом. Когда доказательства митохондриальной природы этих органелл уже не вызывали сомнений, то вся архезойная концепция лишилась фактической поддержки. Утвердилось мнение, что эукариоты без митохондрий невозможны.

В этом ключе и было запущено обычное исследование еще одного организма без очевидных митохондрий — Monocercomonoides sp. из кишечника шиншиллы. Это представитель метамонад (см.: Metamonad) — жгутиковых простейших, не имеющих нормальных митохондрий. Ученые планировали прочитать геном этого организама и, в частности, определить наличие и локализацию генов, связанных с митохондриальными функциями.

Эту задачу они выполнили — геном был прочитан с высокой точностью. Он оказался весьма большим — 75 млн пар оснований (это в два раза меньше, чем у трихомонады, но в 5–6 раз больше чем у лямблий); в нем определили 16 627 белок-кодирующих генов. Но обычного комплекса генов, связанного с митохондриями у эукариот (в частности, генов ферментов, осуществляющих транспорт и сортировку пептидов через митохондриальные мембраны, — так называемых «механизмов сортировки и сборки», см. sorting and assembly machinery), не обнаружилось. Также не выявилось ни одного гена мембранных транспортеров АТФ, которые обычны у других метамонад. У них они перекачивают АТФ из гидрогеносом и митосом наружу. Не было и генов белков, обеспечивающих контакт эндоплазматической сети с митохондриями (см.: Endoplasmic reticulum–mitochondria connections) или их производными.

Решив, что дело может быть в резкой специализации этого генетического комплекса, ученые занялись поисками без вести пропавших во всех обширных базах геномных данных. Но не нашлось ни одного похожего гена со специфическими функциями, связанными исключительно с митохондриями. Иными словами — не нашлось ничего, что указывало бы на работу митохондрий или их аналогов, на получение энергии тем биохимическим способом, какой обычно используют эукариоты. Тогда как эти странные организмы добывают себе энергию?

Гены ферментов, отвечающих за обмен веществ, у Monocercomonoides нашлись. Их комплекс дает возможность этому одноклеточному разлагать глюкозу в анаэробных условиях, а дальше и пируват, конечный продукт анаэробного гликолиза, до водорода или до этанола и уксусной кислоты. Кроме того, Monocercomonoides обладает ферментным набором для расщепления аминокислоты аргинина; данный метаболический путь даже более эффективен, чем анаэробный гликолиз. Такой метаболизм известен у лямблий и трихомонад, и он протекает прямо в цитоплазме.

При получении энергии и передаче ее АТФ важнейшую роль играют проводники электронов, своего рода биомолекулярные провода. В живых организмах их функцию выполняют белки с железосерными кластерами (Fe—S-кластерами, см.: R. Lill, U. Muhlenhoff, 2006. Iron-sulfur protein biogenesis in eukaryotes: components and mechanisms). Они характеризуются подвижными связями между железом и серой и за счет этого могут участвовать в переносе электронов. Как правило, у эукариот эти белки с Fe—S-кластерами производятся в митохондриях (у растений — в пластидах). У бактерий и архей, очевидно, тоже имеются эти важнейшие белки — без них передача энергии остановится. Но они синтезируются с помощью своего, бактериального, набора ферментов в цитоплазме. Как выяснилось, Monocercomonoides для синтеза Fe—S-кластеров пользуется бактериальным набором ферментов, а не эукариотическим. Те же бактериальные ферменты нашлись у Paratrimastix pyriformis, близкого родственника Monocercomonoides.


Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий

Рис. 2. Вверху: эукариотический организм с митохондриями, в которых работает комплекс ферментов сборки Fe—S-кластеров (Iron-Sulfur Cluster, ISC). В середине: у 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. Внизу: при полной потере митохондрий организмам пришлось заменить митохондриальный комплекс ISC на бактериальный набор SUF (Sulfur mobilization), который тоже справляется с производством железосерных кластеров (см. Iron-sulfur cluster biosynthesis). Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology


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


Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий

Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий

Рис. 3. Схема эволюции митохондрий метамонад. Нормальные митохондрии редуцируются до митосом или других подобных органелл, но при этом функционируют эукариотические компоненты сборки Fe—S-кластеров (ISC). Предки Monocercomonoides и Paratrimastix получают бактериальный комплекс для синтеза Fe—S-кластеров (SUF) это позволяет им отбросить ферменты ISC-комплекса. У Monocercomonoides исчезают и митосомы. Параллельно у других метамонад, не получивших дополнительный цитоплазматический комплекс для синтеза Fe—S-кластеров, остаются митосомы или их аналоги с изначальным митохондриальным комплексом ISC. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology


Вряд ли Monocercomonoides — первично безмитохондриальный эукариотический организм. Ведь у его родича Paratrimastix pyriformis имеются митосомы, а значит, Monocercomonoides просто продвинулся по пути отказа от митохондрий чуть дальше. Для этого очень пригодились прихваченные у бактерий полезные ферменты. Этот пример, подчеркивают ученые, показывает, что эукариоты не так уж недоступны для горизонтального переноса генов, как принято считать. Они вполне могут ассимилировать чужие гены, пусть даже бактериальные.

И что еще важнее, Monocercomonoides демонстрирует принципиальную возможность существования безмитохондриальной ядерной клетки. Такой организм может жить в низкокислородной или бескислородной среде, в условиях высокой концентрации органических веществ, серы и железа. А уж как он распорядится своим биохимическим арсеналом, бактериальным или эукариотическим, — это его личное дело, наживное.

Источник: Anna Karnkowska, Vojtech Vacek, Zuzana Zubacova, Sebastian C. Treitli, Romana Petrzelkova, Laura Eme, Lukas Novak, Vojtech Zarsky, Lael D. Barlow, Emily K. Herman, Petr Soukal, Miluse Hroudova, Pavel Dolezal, Courtney W. Stairs, Andrew J. Roger, Marek Elias, Joel B. Dacks, Cestmir Vlcek, Vladimir Hampl. A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle // Current Biology. 2016. V. 26. P. 1–11. DOI: 10.1016/j.cub.2016.03.053.

Елена Наймарк


10 сентябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Расшифрована структура комплекса I дыхательной цепи митохондрий быка

Группа ученых из Великобритании и Китая методом крио-электронной микроскопии расшифровала структуру комплекса I (NADH-дегидрогеназный комплекс) электрон-транспортной цепи митохондрий быка Bos taurus.

Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников

Представители отряда палочников имеют в своем биохимическом арсенале пектиназы — ферменты, расщепляющие пектин. Сравнивая гены пектиназ у палочников и двух других групп животных (жуков-листоедов и

Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот

Целенаправленный поиск микробов, родственных открытым в 2015 году локиархеям, привел к обнаружению большой и разнообразной группы, заслуживающей ранга надтипа и получившей название «Асгард». В эту

Обнаружены гигантские вирусы с расширенным репертуаром генов для синтеза белка

Американские и австрийские биологи открыли новую группу гигантских вирусов, получивших название Klosneuvirinae (клоснойвирусы). Они имеют огромные геномы, не уступающие по размеру геномам многих

Лень научно объяснима

Наблюдая за поведением мышей, которые казались более ленивыми, чем их собратья, исследователи пришли к выводу: все от недостатка гена, отвечающего за синтез белка, который регулирует энергобаланс

Дин Карназес — человек, который может бежать вечно

У всех есть свой предел — и у любителей побегать на выходных, и у профессиональных спортсменов. По-научному этот предел называется лактатным порогом: как только вы его перешагнули, начинаются
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Впервые получены структуры контактной и сольватноразделённой ионных пар силенил-литиевого соединенияOstrovok.ru – огромная база отелей по всему мируВ человеческом неокортексе есть редкий тип нейронов, отсутствующий у шимпанзе и гориллРазработан новый тип секретных чернилО применении знания каббалы на практикеУникальная сверхновая поставила астрономов в тупикУ одной из ближайших звезд обнаружена потенциально обитаемая планетаSpaceX выбрала девять мест на Марсе для высадки