Геномы различных микроорганизмов указывают на раннюю эволюцию рудиментарной иммунной системыГеномы различных микроорганизмов указывают на раннюю эволюцию рудиментарной иммунной системы
Последним предком, общим для всех живых организмов, был микроорганизм, живший 4,2 миллиарда лет назад.
Он имел довольно большой геном, кодирующий около 2600 белков, питался газообразным водородом и углекислым газом и обладал рудиментарной иммунной системой для борьбы с вирусными агрессорами. Таков вывод нового исследования, в котором сравниваются геномы 700 различных современных микробов и ищутся общие черты, чтобы определить, какие из них возникли первыми. Хотя анализ не раскрывает, как зародилась жизнь, он позволяет предположить, что этот сложный клеточный организм, в некоторой степени похожий на современных микробов, возник всего через несколько сотен миллионов лет после образования Земли.
"Я был очень взволнован", - рассказывает Бетюль Качар, эволюционный биолог из Университета Висконсин-Мэдисон, который ознакомился с результатами исследования, представленными на этой неделе на встрече Общества молекулярной биологии и эволюции в Пуэрто-Вальярте, Мексика. (Исследование также опубликовано на днях в журнале Nature Ecology & Evolution). "Это всесторонний анализ и хороший пример того, как нужно делать такую работу".
Это не первая попытка установить личность гипотетического последнего универсального общего предка, или LUCA (last universal common ancestor). Так, в 2016 году исследователи под руководством Уильяма Мартина, эволюционного биолога из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, использовали аналогичный подход к сравнению известных микробных геномов, чтобы предоставить наиболее убедительные генетические доказательства того, что LUCA, скорее всего, был анаэробом, который рос в среде, лишенной кислорода, необходимого большинству современных клеток. Генетический анализ Мартина также обнаружил доказательства того, что этот микроб был "термофилом", теплолюбивым микробом, который питался газообразным водородом (H2). Такое сочетание позволяет предположить, что он мог обитать вблизи глубоководных океанских жерл, рядом с подводными вулканами.
В исследовании 2016 года его группа не пыталась определить дату появления LUCA. Однако другие работы относят существование LUCA к периоду около 3,8 миллиарда лет назад. Со времени исследования Мартина было полностью секвенировано гораздо больше микробов, и Качар отмечает, что инструменты сравнительной геномики также стали более сложными и искусными. Для нового исследования LUCA Эдмунд Муди, эксперт по геномике из Бристольского университета, разработал метод, который должен был дать более точное предсказание о времени возникновения LUCA.
Обычный подход основан на различной, но известной скорости генетических мутаций у видов микроорганизмов, а также на темпах передачи генов между ними, чтобы создать своего рода молекулярные часы. Построив родословные, которые определяют, какие организмы, вероятно, произошли от других, и отслеживая генетические изменения в сохраненных генах, исследователи могут приблизительно определить, когда две соседние ветви на дереве разошлись, и таким образом точно определить возраст их общего предка. Предыдущие анализы использовали этот подход, полагаясь на отслеживание изменений в отдельных генах, общих для потомков, которые, по-видимому, имеют корнем LUCA.
Муди и его коллеги пошли дальше. Они сосредоточились на пяти наборах "паралогов", или дублированных генов, которые были обнаружены у множества бактерий и архей, что позволяет предположить, что удвоение произошло до того, как LUCA разделилась на этих потомков. По словам Муди, отслеживание того, присутствует ли мутация в обеих копиях этих генов или только в одной, облегчает определение времени их дублирования, а значит, и возраста общих предков. Таким образом, анализ показал, что LUCA жили около 4,2 миллиарда лет назад. "Возможно, это немного раньше, чем другие оценки, но не намного", - говорит Рика Андерсон, эволюционный микробиолог из Карлтонского колледжа, которая не принимала участия в работе.
Чтобы проследить образ жизни LUCA, как это сделал Мартин, группа Муди отследила 57 "маркерных" генов у 350 видов бактерий и 350 видов архей, чтобы построить дерево жизни. По словам Муди, это больше, чем у группы Мартина, которая отслеживала гены, общие как минимум для двух порядков бактерий и двух порядков архей. Затем его сотрудники отдельно проследили эволюцию отдельных генов и генных семейств всех имеющихся генов у бактерий и архей, занесенных в общепринятую геномную базу данных. Сравнивая эволюционную историю отдельных генов с историей видов, они смогли лучше определить, какие гены были дублированы, потеряны или подверглись горизонтальному переносу генов. Исходя из этого, они сделали вывод о том, что присутствовало в LUCA. "Это более надежный подход", - считает Андерсон. Но Мартин возражает, что, несмотря на эти усилия, "они получили точно такой же результат 8 лет спустя".
Действительно, анализ британской группы показал, что LUCA питался углекислым газом (CO2) и H2, как и обнаружил Мартин. Но они также нашли доказательства наличия у LUCA гена, который мог защищать его от ультрафиолетового излучения, что позволяет предположить, что микроб мог жить в поверхностных водах, где он мог захватывать CO2 и H2 из атмосферы, а не в глубоководных источниках. Тем не менее, как и Мартин, они обнаружили признаки фермента под названием обратная гираза, который обычно встречается у термофилов, что, по их мнению, означает, что LUCA также мог процветать вблизи этих источников.
Муди также обнаружил кое-что новое: у LUCA, вероятно, было 19 генов CRISPR-Cas9 - системы, с помощью которой современные бактерии измельчают генетический материал вирусных захватчиков (и вдохновителя универсального редактора генома, который сейчас используется во многих областях). "У LUCA была ранняя иммунная система, позволяющая избегать вирусов", - говорит Муди.
Это восхищает Качара, поскольку указывает на существование процветающей экосистемы микробов и их патогенов в столь далеком прошлом. Андерсон не менее воодушевлен, отмечая, что системы CRISPR-Cas9 "довольно сложны".
Это означает, что всего за несколько сотен миллионов лет ранняя жизнь успела развить сложные микроорганизмы, взаимодействие которых быстро вылилось в простую экосистему - достижение, которое современные исследования, пытающиеся описать давно исчезнувший LUCA, пока не могут объяснить.
