Фундаментальные различия в клеточной организации между эукариотами и прокариотами являют собой, можно сказать, парадоксальное противопоставление особенностям организации генома, которых мы уже касались в главе 3. В то время как эукариотические клетки обладают гораздо более замысловатой, упорядоченной и сложной организацией, чем прокариотические клетки, геномы эукариот намного менее оптимизированы и содержат гораздо больше «мусора», чем геномы прокариот. Объяснение эволюционных основ этого явного парадокса представляет собой принципиальную проблему, и ее решение, вероятно, прольет свет также и на происхождение эукариот – или, точнее говоря, на происхождение клеточной организации эукариот. Эта проблема далека от решения и остается предметом жарких (иногда даже слишком жарких) споров. В данной главе мы рассмотрим эту загадку и, говоря шире, эволюционные связи между археями, бактериями и эукариотами настолько объективно и логично, насколько это возможно, чтобы понять, как могло возникнуть «эукариотическое состояние живого». В заключение этой дискуссии я надеюсь показать, что, хотя некоторые ключевые детали все еще требуют объяснения, контуры приемлемого специфического сценария возникновения эукариот становятся ясными, и этот сценарий согласуется по крайней мере с некоторыми необычными чертами геномов эукариот и удивительной сложностью эукариотической клеточной организации. Более того, в данной главе мы придем к выводу о том, что трехдоменная схема Вёзе не дает адекватной картины истории жизни, и обсудим некоторые общие следствия эволюционной истории эукариот, которые имеют непосредственное отношение к центральной теме этой книги – взаимодействию случайности и необходимости в эволюции.

В этой книге нам нет никакой необходимости вдаваться в бесчисленные тонкие детали биологических структур. Однако для того, чтобы обсуждать происхождение эукариот (далее эукариогенез) предметно, мы должны полностью оценивать природу и глубину пропасти, разделяющей эукариотические и прокариотические клетки. Действительно, существует резкое различие по сложности организации клетки между эукариотами и прокариотами: типичная эукариотическая клетка примерно в тысячу раз больше по объему, чем обычная бактерия или архея, и обладает исключительно сложной внутриклеточной компартментализацией, которой нет даже у самых «продвинутых» прокариот. Ниже в этой главе мы кратко обсудим некоторые интересные исключения, такие как гигантские прокариотические клетки и прокариотические клетки, содержащие внутриклеточные компартменты. Тем не менее тщательное рассмотрение этих случаев подтверждает фундаментальную дихотомию эукариот и прокариот по клеточной организации.

Компартментализация эукариотических клеток основана на сложной, разносторонней системе внутренних мембран и актинтубулиновом цитоскелете. Удивительное следствие внутриклеточной компартментализации – это физическое отличие эукариотических клеток от прокариотических. У прокариот содержимое клетки является раствором, пусть и вязким, так что макромолекулы (белки и нуклеиновые кислоты) диффундируют более или менее свободно и достигают своих пунктов назначения в клетке в результате сочетания стохастических перемещений и переноса в составе специфических комплексов. Напротив, у эукариот макромолекулы не могут свободно диффундировать и вместо этого добираются до своего «места работы» при помощи сложных транспортных систем. Это различие ясно демонстрируется простым экспериментом, в котором мембраны прокариотических и эукариотических клеток искусственно делаются проницаемыми (пермеабилизуются): белки и нуклеиновые кислоты «вытекают» из пермеабилизованных бактериальных клеток, но, как правило, не из эукариотических (Hudder et al., 2003). Таким образом, цитозоль эукариотических клеток обладает значительно более низкой энтропией, чем у прокариот, – трудно придумать более фундаментальное различие.

Ядро – органелла, давшая название эукариотам, – содержит в себе геномную ДНК, организованную в виде хроматина и распределенную между несколькими хромосомами; это место транскрипции, сплайсинга и сборки рибосом. Само по себе ядро является частью системы внутренних мембран: оболочка ядра переходит в мембраны эндоплазматического ретикулума. Очевидно, что для функционирования эукариотической клетки ядро должно постоянно взаимодействовать с цитозолем. Действительно, оболочка ядра пронизана порами, чрезвычайно сложными структурами, отвечающими как за пассивный, так и за активный перенос всех видов молекул (и даже макромолекулярных комплексов, таких как субъединицы рибосом) в ядро и из него. Заметим, что ограничение расположения хроматина и транскрипции ядерным компартментом исключает сопряжение транскрипции и трансляции, отличительную черту экспрессии генов у прокариот. Ниже в этой главе мы рассмотрим фундаментальные последствия этого разобщения.

Изнутри ядро заполнено высокоструктурированным матриксом и в этом отношении походит на эукариотический цитозоль. Эукариотический хроматин, содержащийся в ядре, никоим образом нельзя считать просто молекулой ДНК, защищенной белками и регулярным образом упакованной в трехмерные структуры. Хроматин является чрезвычайно сложной динамической системой молекулярных машин, состоящих из множества специализированных белков, которые регулируют и координируют процессы репликации и экспрессии в основном посредством так называемого ремоделирования хроматина – модификации структуры хроматина, которая изменяет фактуру доступных участков (Clapier and Cairns, 2009). Хотя картина регуляции прокариотической экспрессии становится все сложнее и уже очень далека от простой схемы Жакоба – Моно (см. гл. 5), ничто в прокариотической клетке не может сравниться со сложностью эукариотического хроматина.

Качественные различия между эукариотами и прокариотами многочисленны и охватывают многообразные аспекты клеточной биологии, в частности те, которые имеют отношение к переработке информации, передаче сигналов и внутриклеточному переносу веществ (см. табл. 7–1). Сложность физической организации эукариотической клетки дополняется чрезвычайно изощренной сетью взаимодействующих сигнальных путей. Основные сигнальные системы эукариот – это киназно-фосфатазный механизм, регулирующий работу белков посредством фосфорилирования и дефосфорилирования; система убиквитина, которая управляет оборотом и локализацией белков посредством их обратимого убиквитинирования; регуляция трансляции посредством микроРНК; и регуляция транскрипции на уровне индивидуальных генов и ремоделирования хроматина.

Таблица 7–1. Краткое сравнение основных структурных и функциональных признаков эукариотических и прокариотических клеток.

1 Совсем недавно тубулин, вероятно являющийся эволюционным предшественником тубулинов эукариот, обнаружен также у архей, принадлежщих к типу Thaumarchaeota. (Yutin N, Koonin EV. Archaeal origin of tubulin. Biol Direct. 2012 Mar 29;7:10).

В главе 3 мы обсуждали некоторые из основных отличий в устройстве генома прокариот и эукариот. Далее в настоящей главе мы подробнее рассмотрим эволюцию и возможные источники одной из самых удивительных характерных черт эукариот, экзон-интронной структуры генов. Заметим, что различия проявляются на всех уровнях организации генома, от очевидных признаков, например разделения генома на множество линейных хромосом, до таких тонких деталей, как размер и строение нетранслируемых областей в белок-кодирующих генах (см. табл. 7–1).