Исследование архейных клеток может рассказать больше о нас самих
Спустя 42 года после того, как Карл Вёзе определил архей как третье домен жизни, учёные из Института геномной биологии им. Карла Р. Вёзе (IGB) при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне продолжают изучать эти древние организмы, что может помочь узнать больше об эукариотах.
Со временем учёные осознали, что археи имеют близкие родственные связи с эукариотами — доменом жизни, который включает животных, растения и другие организмы.
"Все интересуются происхождением эукариотических клеток, потому что мы сами — эукариоты", — сказала Рэйчел Уитэйкер, профессор микробиологии и руководитель исследовательской темы в IGB. "Чем больше мы узнаём об археях, тем больше понимаем о наших собственных клетках и о том, что делает нас уникальными".
Уитэйкер и Чанъи Чжан, научный сотрудник IGB, решили лучше понять архейную клетку, изучая Sulfolobus islandicus — архейный микроорганизм, обитающий в геотермальных горячих источниках.
Их результаты, опубликованные в Nature Communications, проливают свет на потенциальное общее происхождение архей и эукариот, а также на эволюционную историю клеток. Их исследование также опровергает ранее существовавшие представления о том, что нужно S. islandicus для роста.
"Один из первых вопросов: что ему нужно для роста?" — сказала Уитэйкер.
Исследователи определили существенные гены — те, что критически важны для роста и выживания организма — у S. islandicus, а затем сравнили их с существенными генами бактерий и эукариот, чтобы найти общие гены.
В частности, они хотели выяснить, есть ли у эукариот общие существенные гены с S. islandicus, что могло бы дать представление о происхождении эукариот.
Хотя они не нашли новых, ранее не определённых общих генов, они обнаружили набор генов, которые уникальны для архей и одновременно необходимы для их роста. Теперь они хотят понять, уникальны ли эти гены только для архей или же они присутствовали у общего предка архей и эукариот.
"Есть два варианта. Либо они когда-то были общими для предка и утрачены эукариотами в процессе дивергенции от общего предка, — сказала Уитэйкер. — Либо они новые, и это инновации, которые произошли в архейной клетке, но не случились в эукариотической".
Если это удастся лучше понять, можно будет глубже изучить, как разошлись пути архей и эукариот, и как именно этот эволюционный процесс происходил на клеточном уровне.
"Можно ли просто эволюционировать новые функции? — говорит Уитэйкер. — Какие типы функций можно эволюционировать и изменять, оставаясь жизненно важными, а какие типы функций можно потерять?"
Для изучения S. islandicus — уникального организма, растущего при высоких температурах, — Чжану пришлось разработать новые инструменты для анализа его генома. Эти инструменты позволили ему сделать неожиданное открытие о поверхностном (S-) слое — внешней оболочке архейных клеток, обеспечивающей защиту.
"У неё есть только S-слой, окружающий клетку, — сказал Чжан. — Если клетка теряет S-слой, она теряет защиту от многих стрессов окружающей среды".
Среди учёных существовал консенсус, что S-слой необходим для Sulfolobus, но Чжан подтвердил, что это не так. По его словам, это стало неожиданностью, но теперь у них есть инструменты, чтобы проверить, как функционирует архейная клетка с этой внешней оболочкой и без неё.
"Мы думаем, что он может быть очень важен для нормального функционирования клетки, — сказала Уитэйкер. — Мы знаем, что они растут, но выглядят совсем иначе (без него). Это даёт нам некоторые идеи о том, какие процессы могут быть затронуты, но мы пока не знаем, какие именно".
Лучшее понимание архейных клеток может помочь научному сообществу больше узнать о функциях эукариотических клеток — многие из которых плохо изучены. Эти функции могут влиять на здоровье наших клеток, а нездоровые клетки могут вызывать мутации и нестабильность генома, что может привести к раку.
"Мы надеемся, что, лучше понимая ключевые элементы этих функций, мы сможем лучше понять эти системы и, делая это, лучше понять самих себя", — сказала Уитэйкер.
Уитэйкер и Чжан отметили, что после публикации их результатов исследователи со всего мира обращались к ним с просьбой предоставить доступ к их данным.
"Область архейной клеточной биологии действительно заметила эту работу... это здорово, что она исходит от IGB и из Иллинойса, — сказала Уитэйкер. — Это напоминает людям, что исследования архей живы и здоровы и действительно оказывают здесь большое влияние".