У архей или бактерий нет ничего похожего на характерные для эукариот органеллы, особенности устройства генома и функциональные системы. Поэтому сама природа эволюционных связей между прокариотами и эукариотами кажется загадочной. В самом деле, сравнение полных геномных последовательностей однозначно показывает, что несколько тысяч эукариотических генов, отвечающих за ключевые функции клетки (трансляцию, транскрипцию и репликацию), происходят от общего предка с гомологичными генами архей и/или бактерий. Это эволюционное единство клеточных форм жизни делает объяснение того, как общие компоненты дают начало клеткам, столь непохожим в таком множестве черт, чрезвычайно сложной и интересной задачей.

В предыдущем разделе мы подчеркнули некоторые фундаментальные различия между прокариотическими и эукариотическими клетками (см. табл. 7–1). Одно из этих отличий представляется наиболее поразительным и может содержать ключ ко всей проблеме происхождения эукариот. Эта главная черта эукариотической клетки – присутствие митохондрий, играющих важнейшую роль в преобразовании энергии, а также выполняющих многие другие функции в клетках эукариот, такие как участие в различных формах передачи сигналов и программируемой клеточной смерти. Митохондрии – это органеллы характерной формы («дамская туфелька»), окруженные двойной мембраной; внутренняя мембрана содержит электронтранспортную цепь, состоящую из выстроенных в строго определенном порядке белковых комплексов. Удивительно, что митохондрии обладают своим собственным геномом, обычно представленным кольцевой молекулой ДНК, которая варьирует в размерах в разных царствах эукариот (очень небольшие, около 10 Кб, у животных, и более крупные, от 100 Кб до 1 Мб у других эукариот), и кодирующим небольшое число белков (только тринадцать у большинства животных; в основном это субъединицы комплексов электронтранспортной цепи), а также 34 рРНК и тРНК. Более крупные митохондриальные геномы растений, грибов и протист могут содержать больше функциональных генов – до ста у Reclinomonas americana из группы Excavata, – но в основном большие митохондриальные геномы состоят из встроенных мобильных элементов (Barbrook et al., 2010). Более того, митохондрии обладают собственными системами транскрипции и трансляции, которые обеспечивают экспрессию митохондриального генома. Эти системы во всех отношениях больше напоминают прокариотические, чем эукариотические аналоги. Многие эукариотические клетки содержат более одной митохондрии, и под электронным микроскопом это выглядит так, будто эукариотическая клетка нашпигована множеством паразитических или симбиотических бактерий. И на самом деле так оно и есть.

Сегодня у биологов нет сомнений, что митохондрии произошли от бактерий, бывших эндосимбионтами предков эукариот, и претерпели редуктивную эволюцию, которая превратила их в органеллы, полностью зависимые от клетки хозяина, однако сохранившие некоторые характерные прокариотические черты. Идентифицировать бактериальных предков митохондрий было относительно нетрудно (Yang et al.,1985): филогенетический анализ митохондриальных рРНК и некоторых белок-кодирующих генов точно поместил их среди альфа-протеобактерий, представителей отдельной ветви Proteobacteria, которая, что интересно, включает, наряду с большим числом свободноживущих бактерий, некоторое число внутриклеточных паразитов (таких как Rickettsia) и эндосимбионтов (таких как Wolbachia). Таким образом, по крайней мере в общих чертах, путь от альфа-протеобактерий до митохондрий кажется ясным. Однако на молекулярном уровне это превращение ни в коей мере не тривиально. В самом деле, большинство митохондриальных геномов претерпели сокращение до крайнего минимума, и это сокращение сопровождалось переносом сотен бывших бактериальных генов в геном хозяина (пока что будем использовать нейтральное определение «хозяин эндосимбионта», но позже в этой главе мы обсудим природу этого хозяина подробно). Белковые продукты большинства этих генов – включая среди прочих все белки, которые составляют митохондриальную систему трансляции, – направляются обратно в митохондрии, где они и выполняют свои функции (см. рис. 7–1). Для того чтобы этот механизм работал, гены, перенесенные в хромосомы хозяина, должны быть транскрибированы, что требует соответствующих регуляторных сигналов; транскрипты должны быть транслированы в цитозоле, что требует полной совместимости с эукариотическими сигналами трансляции; наконец, полученные белки должны быть импортированы в митохондрию, что требует специальных сигналов для импорта и специализированного белкового механизма в наружной мембране митохондрий. Проблема приспособления перенесенных генов эндосимбионта к прохождению через этот сложный путь на первый взгляд кажется совершенно неразрешимой. Однако, по-видимому, имеется очевидное решение; пока что я сохраню интригу и расскажу о нем в разделе о происхождении эукариотической клетки, ниже в этой главе.

Рис. 7–1. Схематическое изображение митохондрии с ее геномом и системой трансляции, а также транспорта митохондриальных белков в эукариотической клетке.

Важнейшее, хотя и несколько недооцененное открытие первых лет XXI века состоит в том, что все эукариоты, изученные достаточно детально, обладают митохондриями или подобными им органеллами (Shiflett and Johnson, 2010; van der Giezen, 2009). Разнообразные одноклеточные эукариоты (протисты), такие как амебы, микроспоридии, некоторые анаэробные грибы и различные Excavata, лишены типичных митохондрий и долгое время считались примитивными, первично амитохондриальными эукариотическими формами (часто их объединяли в группу Archezoa). Однако недавние ультраструктурные исследования обнаружили ранее неизвестные миниатюрные органеллы, напоминающие митохондрии, во всех этих организмах. Эти протисты – анаэробы, так что эти органеллы, называемые гидрогеносомами, или митосомами, или просто митохондриеподобными органеллами (МПО), не участвуют в аэробном дыхании, подобно митохондриям. Однако все они обладают железо-серными кластерами, которые в митохондриальной электронтранспортной цепи являются главными каталитическими центрами. В МПО эти кластеры вместе с набором остальных ферментов катализируют другие, анаэробные окислительно-восстановительные реакции; в частности, один важный путь производит молекулярный водород, который используется метаболическими системами цитозоля. Несмотря на существенные отличия, МПО содержат некоторое количество белков, общих с типичными митохондриями. Они также используют механизм импорта белков, очень похожий на митохондриальный. Хотя эти миниатюрные МПО лишены генома и системы трансляции, которые всегда присутствуют в настоящих митохондриях, гены для нескольких характерных белков, общих для МПО и митохондрий, обнаружены в ядерных геномах соответствующих организмов. Рассматриваемые в совокупности, все эти факты не оставляют сомнений в том, что МПО представляют собой производные деградировавших митохондрий, которые, вероятно, потеряли свой геном при переходе соответствующих организмов к анаэробному образу жизни. По всей видимости, эта редукция митохондрий произошла в нескольких независимых случаях на протяжении эволюции эукариот. Отсюда следует важнейший вывод: в настоящее время нам неизвестны амитохондриальные эукариоты. Конечно, не исключено, что, пока я пишу эти строки, какие-нибудь архезои тихо размножаются, например, в маленьком пруду поблизости. Но с каждым новым эукариотическим организмом, у которого обнаруживаются митохондрии или МПО, это предположение становится все менее вероятным.

История эндосимбиоза у эукариот конечно же не ограничивается одними митохондриями. Вторым ключевым событием в истории эндосимбиоза было приобретение цианобактерий одноклеточным общим предком зеленых водорослей и наземных растений. Эти цианобактериальные эндосимбионты превратились в пластиды, которые в последующем разделились на хлоропласты и хромопласты. После цианобактериального эндосимбиоза ряд протист устроил настоящее буйство по части захвата зеленых водорослей и других обладающих пластидами эукариотических клеток. В результате возникали сложные эндосимбионты, состоящие из пластиды (возможно, это был фактор отбора для эволюционной фиксации эндосимбиоза) и остатка эукариотической клетки (часто называемого нуклеоморфом), первоначального хозяина пластид. Эндосимбиоз, по-видимому, является главным фактором расхождения Chromalveolata, одной из супергрупп эукариот (см. ниже) (Bhattacharya et al., 2007; Lane and Archibald, 2008).

В нескольких известных статьях, а также в исключительно смелой книге, написанной в соавторстве с Дорионом Саганом, Линн Маргулис, открывательница концепции эндосимбиоза в ее современном воплощении, представила эндосимбиоз как единственный доминирующий эволюционный процесс у эукариот (Margulis, 2009; Margulis et al., 2006; Margulis and Sagan, 2003). Маргулис не только предположила, что, помимо митохондрий и пластид, некоторые органеллы, такие как центриоли и жгутики, возникли путем эндосимбиоза, но даже утверждала, что эндосимбиоз лежал в основе всего видообразования у эукариот. Однако, в противоположность случаям митохондрий и пластид, эти идеи имеют очень слабое эмпирическое подтверждение либо не имеют его вовсе. Известные случаи бактериального эндосимбиоза у эукариот достаточно многочисленны, но по большей части носят переходный характер, хотя есть и замечательные исключения, такие как долговременный мутуалистический эндосимбиоз у ряда насекомых (Gibson and Hunter, 2010).

Как отмечалось в главе 6, древообразный эволюционный процесс гораздо лучше отражает эволюцию эукариот, чем прокариот. Главной причиной чего является частичное подавление неспецифического ГПГ, который преобладает в мире прокариот и который эукариоты заменили регулярным половым размножением (см. обсуждение ниже в этой главе). Однако принципиальная уместность метафоры древа не означает, что корректное древо легко реконструировать. Некоторые царства эукариот, такие как животные, грибы, растения и цилиаты, хорошо определены и, без сомнения, являются монофилетическими; более того, эволюционные связи внутри них в основном соответствуют дереву с вполне определенной топологией. Однако расшифровка эволюционных связей между этими царствами и рядом других групп одноклеточных эукариот (протист) – тяжелая задача, a первичное расхождение от стадии последнего общего предка эукариот (Last Eukaryote Common Ancestor, LECA) представляет собой труднейшую проблему среди всех вопросов, связанных с эволюцией эукариот (Koonin, 2010a).

Рис. 7–2. Происхождение эукариот: а — гипотетическое архезойное древо; б – консенсусное «лучевое» древо, включающее пять супергрупп.

Проблема первичного расхождения эукариот связана с повсеместным присутствием митохондрий и МПО у эукариот, как мы уже обсуждали в предыдущем разделе. В течение многих лет большинство эволюционных биологов предпочитало так называемую филогению кроны (или «архезойное» древо), где древо эукариот состояло из «кроны», включающей животных (Metazoa), растения (Viridiplantae), грибы и некоторые группы протист, в зависимости от метода, использованного для построения древа (Cavalier-Smith, 1998; Patterson, 1999; Roger, 1999). Оставшиеся протисты, не имеющие типичных митохондрий, такие как Microsporidia, Diplomonada и Parabasalia, объединялись в группу Archezoa и считались «ранней ветвью эукариот», отделившейся от общего древа до того, как произошел митохондриальный эндосимбиоз (см. рис. 7–2а). Такая топология древа эукариот была совместима с большинством филогенетических деревьев рРНК и различных консервативных белков. В корневых деревьях, полученных путем включения прокариотической «внешней группы» (outgroup), ветви архезой обычно оказываются в стороне от «кроны», как и следует ожидать, если корень эукариот действительно находится между архезоями и «кроной». Однако в течение первого десятилетия XXI века архезойный сценарий расползся по швам (Embley and Martin, 2006). Главной причиной этого было открытие митохондрий или МПО у всех современных эукариот, подорвавшее представления о раннем отделении «примитивных» протист от общего корня. Одновременно серьезно улучшенная статистика таксонов, появившаяся в результате секвенирования разнообразных геномов, вместе с новыми, более мощными методами филогенетического анализа, показала, что глубокое размещение «рано отделившихся» групп протист, видимое на многих деревьях, представляло собой артефакт притяжения длинных ветвей, обусловленный быстрой эволюцией соответствующих групп (Brinkmann and Philippe, 2007).