Как органелла эволюционирует в симбиозе с клеткой: Промежуточная стадия проливает свет на процесс ассимиляции

Органеллы в клетках изначально часто были независимыми клетками, которые были поглощены клетками-хозяевами и утратили свою независимость в ходе эволюции. Команда биологов под руководством профессора докторы Евы Новак из Дюссельдорфского университета имени Генриха Гейне исследует, как происходит этот процесс ассимиляции и насколько быстро. Теперь они описывают свои выводы о промежуточной стадии этого процесса в Science Advances.

Эукариотические клетки содержат большое количество функциональных субъединиц, так называемых органелл. Они выполняют важные функции внутри клетки. Некоторые органеллы в прошлом были независимыми одноклеточными организмами. Затем они были поглощены клеткой и эволюционировали с течением времени в симбиозе с клеткой-хозяином.

Эти «эндосимбионты» в процессе утратили способность функционировать автономно. Хорошо известным примером такого типа органелл являются митохондрии, которые произошли от бактерии.

Рабочая группа профессора Новак в Институте микробной клеточной биологии исследует, как клетки и их эндосимбионты адаптировались и эволюционировали в симбиозе друг с другом на протяжении миллионов лет.

Статья в Science Advances посвящена трипаносоматиде Angomonas deanei, одноклеточному жгутиконосцу из подсемейства Strigomonadinae. Эти организмы живут в кишечнике насекомых.

Профессор Новак объясняет: «Все члены подсемейства Strigomonadinae имеют эндосимбионта. Примерно 40–120 миллионов лет назад общий предок современных Strigomonadinae поглотил протобактерию, из которой эволюционировал эндосимбионт. Он снабжает свои клетки-хозяева метаболитами и так называемыми кофакторами, которые, например, выполняют каталитическую функцию в ферментах. Примечательно, что каждая клетка-хозяин имеет только один такой эндосимбионт, который всегда делится синхронно с клеткой-хозяином», — добавляет Новак.

В 2022 году дюссельдорфская исследовательская группа сообщила в Current Biology, что несколько белков, продуцируемых клеткой-хозяином, взаимодействуют с эндосимбионтом. Один из этих белков, называемый ETP9, образует кольцо вокруг места деления эндосимбионта.

Исследователи под руководством профессора Новак и её аспирантки Анай Маурья теперь выяснили, что эндосимбионты Strigomonadinae — которые раньше были независимыми бактериями — утратили практически все гены, необходимые для деления. Ген, кодирующий белок FtsZ, который маркирует место деления у бактерий и большинства органелл, является одним из немногих оставшихся бактериальных генов деления клеток.

Маурья, член Высшей школы Манхота «Молекулы инфекции IV» и ведущий автор исследования, сказала: «Контролируемый из клеточного ядра, белок ETP9 накапливается в месте деления эндосимбионта в процессе, зависящем от клеточного цикла. Когда мы экспериментально останавливаем продукцию ETP9, эндосимбионт больше не может делиться. Возникают длинные нитевидные эндосимбионты, в которых бактериальный белок FtsZ теперь маркирует несколько мест деления, но они больше не могут делиться без помощи белка-хозяина ETP9».

Таким образом, эндосимбионт в A. deanei представляет собой промежуточную стадию между эндосимбиотической бактерией — которая всё ещё генетически автономна — и органеллой, которая почти полностью контролируется клеткой-хозяином. Эндосимбионт утратил гены, которые необходимы для его автономного выживания. Их функции теперь заменены генами в ядре клетки-хозяина.

Новак добавляет: «Эти фундаментальные выводы помогают нам понять, как органелла эволюционирует из бактерии. Используя этот механизм, в будущем также может быть возможно создать синтетический симбиоз, в котором синтетические эндосимбионты будут контролироваться клеточным ядром».

Биологи из Института микробной клеточной биологии провели исследовательскую работу в сотрудничестве с Институтом медицинской микробиологии и больничной гигиены HHU (исследовательская группа под руководством профессора докторы Штефани Шой) и Центром передовой визуализации.