Οι συγχωνεύσεις κυττάρων-βακτηρίων προσφέρουν στοιχεία για το πώς εξελίχθηκαν τα οργανίδια

Υπάρχουν λίγες σχέσεις στη φύση πιο στενές από αυτές μεταξύ των κυττάρων και των συμβιωτικών βακτηρίων, ή των ενδοσυμβίων, που ζουν μέσα τους. Σε αυτές τις συνεργασίες, ένα κύτταρο ξενιστής συνήθως παρέχει προστασία στο ενδοσυμβίωμά του και του δίνει έναν τρόπο να διαδοθεί, ενώ το ενδοσύμβιον παρέχει βασικά θρεπτικά συστατικά στον ξενιστή. Πρόκειται για μια βαθιά συνεργατική διευθέτηση, στην οποία τα γονιδιώματα του ξενιστή και του ενδοσυμβίου φαίνεται ακόμη και να συμβάλλουν συμπληρωματικά το ένα στα μεταβολικά και βιοσυνθετικά μονοπάτια του άλλου.

Η αποκαλυφθείσα πολυπλοκότητα αυτών των συνεργασιών συνεχίζει να επιφυλάσσει εκπλήξεις. Σε μια νέα μελέτη που εμφανίζεται σήμερα στο Cell , οι επιστήμονες δείχνουν ότι μια πολύπλοκη συμβίωση τριών κατευθύνσεων μεταξύ ενός κυττάρου εντόμου και δύο ειδών βακτηρίων —το ένα είναι ενδοσυμβίβαστο του άλλου— συνυφαίνει βαθιά το γονιδίωμα και τη φυσιολογία των οργανισμών. Αυτά τα αποτελέσματα μπορεί να διαφωτίσουν τον τρόπο με τον οποίο τα μιτοχόνδρια και άλλα οργανίδια προέκυψαν από αρχαία ενδοσυμβίωση στα πρώτα ευκαρυωτικά κύτταρα.

Όταν τα κύτταρα πρέπει να αποκτήσουν γρήγορα ένα νέο μεταβολικό χαρακτηριστικό για να επιβιώσουν, η καλύτερη επιλογή τους μπορεί να είναι να δανειστούν ένα από άλλους οργανισμούς. Οι οριζόντιες μεταφορές μπορούν να μετακινήσουν μερικά γονίδια μεταξύ των κυττάρων, αλλά οι πιθανότητες οριζόντιας απόκτησης της πλήρους σειράς γονιδίων για ένα περίπλοκο μεταβολικό μονοπάτι είναι εξαιρετικά μικρές. Έτσι, η πιο εύκολη λύση είναι συχνά η συγχώνευση κυττάρων με ανόμοιες ικανότητες και συμπληρωματικές ανάγκες, εξηγεί ο John McCutcheon, ερευνητής ενδοσυμβίωσης στο Πανεπιστήμιο της Μοντάνα. Αυτές οι συγχωνεύσεις δεν είναι ασυνήθιστες στη φύση τους. Είναι ακόμη γνωστό ότι συνέβησαν δευτερεύουσες και τριτογενείς συγχωνεύσεις, δημιουργώντας το κυψελοειδές ισοδύναμο ενός συνόλου ένθετων ρωσικών κούκλων.

Μια τέτοια συγχώνευση ρώσικων κούκλων συνέβη πριν από περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια, όταν τα μικρά παράσιτα εντόμων που ονομάζονται mealybugs απέκτησαν ένα βακτηριακό ενδοσύμβιο, την Tremblaya . Στη συνέχεια, Tremblaya  απέκτησε πολλά άλλα βακτήρια συμπεριλαμβανομένης της Moranella . Τελικά οι άλλοι χάθηκαν και μόνο η Moranella  παρέμεινε. Δεν είναι γνωστό πόσο διαρκεί η Moranella  η ενδοσυμβίωση συνεχίζεται, αλλά είναι πιθανώς της τάξης των δεκάδων εκατομμυρίων ετών. Το αποτέλεσμα είναι ότι το κύτταρο mealybug περιέχει ένα βακτήριο που περιέχει ένα άλλο βακτήριο – μια διάταξη που ανακαλύφθηκε το 2001 από την Carol von Dohlen, βιολόγο στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα.

Το 2011, ο von Dohlen και ο McCutcheon δημοσίευσαν τα γονιδιώματα αυτών των δύο βακτηρίων με την αλληλουχία. Καθένα από τα γονιδιώματα είχε χάσει γονίδια, αλλά μαζί είχαν το πλήρες συμπλήρωμα γονιδίων που κωδικοποιούσαν τα ένζυμα σε βιοσυνθετικές οδούς για τα απαραίτητα αμινοξέα. Έτσι, Tremblaya  και Moranella  συνεργάζονται για να παράγουν απαραίτητα αμινοξέα για τον εαυτό τους καθώς και εκείνα που ο αλευροβόλος δεν μπορεί να βρει στην αυστηρή δίαιτά του.

Αλλά από τα δύο βακτηριακά γονιδιώματα έλειπαν και άλλα γονίδια, και παρόλο που αλληλοσυμπληρώνονταν για τη σύνθεση αμινοξέων, φαινόταν ότι δεν μπορούσαν να κάνουν ένζυμα ζωτικής σημασίας για άλλες μεταβολικές οδούς. Αυτό οδήγησε τον McCutcheon να αναρωτηθεί εάν το γονιδίωμα του εντόμου-ξενιστή περιείχε τα γονίδια που γέμιζαν αυτές τις τρύπες.

Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε το 2013, ο McCutcheon και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι αυτό όντως ήταν έτσι. Παρατήρησαν επίσης ότι παρόλο που αυτά τα γονίδια κάθονταν μέσα στους πυρήνες των κυττάρων-ξενιστών εντόμων, πολλά από αυτά σαφώς δεν ξεκίνησαν ως γονίδια αλευροφόρων, επειδή κωδικοποιούσαν τη σύνθεση πεπτιδογλυκανών, των κύριων συστατικών των βακτηριακών κυτταρικών τοιχωμάτων. Αυτά τα γονίδια έπρεπε να έχουν μεταφερθεί οριζόντια στο πυρηνικό γονιδίωμα του αλευρόφυτου από βακτήρια.

Επομένως, τα γονιδιωματικά στοιχεία πρότειναν, αλλά δεν απέδειξαν, ότι η Moranella  Το endosymbiont μπορεί να βασίζεται σε γονιδιακά προϊόντα από το πυρηνικό γονιδίωμα του αλευρόφυτου για τη δημιουργία των κυτταρικών τοιχωμάτων του. Εάν ναι, ωστόσο, σήμαινε ότι τα προϊόντα των γονιδίων του εντόμου έπρεπε να μετακινηθούν από τον πυρήνα του ξενιστή μέσω πέντε κυτταρικών μεμβρανών (τρεις στο Tremblaya και δύο στο Moranella ) για να φτάσει στο εσωτερικό των πιο βαθιά φωλιασμένων βακτηρίων, όπου παράγονται οι πεπτιδογλυκάνες. Αυτή η αναπόδεικτη πρόταση φαινόταν εξαιρετικά απίθανη.

Επιπλέον, θα σήμαινε ότι γονίδια από τουλάχιστον τρεις διαφορετικές πηγές — αυθεντικά πυρηνικά γονίδια αλευροφόρων, διάφορα βακτηριακά γονίδια που αποκτώνται από το πυρηνικό γονιδίωμα του αλευροβόλου και Moranella  γονίδια — δούλευαν όλα μαζί σε μια σύνθετη βιοσυνθετική οδό. Αυτό φαινόταν επίσης απίθανο.

Η υπόθεση που διαμορφωνόταν φαινόταν άβολη, ακόμη και στους ερευνητές. «Είναι τόσο περίπλοκο, και όλα αυτά τα πράγματα να συνεργάζονται, είναι σχεδόν απλά γελοίο», είπε ο McCutcheon. Παρόλα αυτά, είχαν αρκετή εμπιστοσύνη στα γονιδιωματικά τους δεδομένα για να επινοήσουν έναν τρόπο να τα δοκιμάσουν. "Θέλαμε να βρούμε ένα μονοπάτι όπου θα μπορούσαμε να μπούμε και να αποδείξουμε ότι αυτό που βλέπαμε στη γονιδιωματική λειτουργούσε πραγματικά όπως νομίζαμε."

Συμβιόνια και μεταβολισμός

Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Cell , McCutcheon, DeAnna Bublitz (μια ανώτερη επιστήμονας στο εργαστήριο του McCutcheon) και οι συνάδελφοί τους περιγράφουν το έξυπνο κόλπο που τους έδωσε τη δυνατότητα να το καταφέρουν. Εκμεταλλεύτηκαν ένα μοναδικό χαρακτηριστικό των πεπτιδογλυκανών:ότι παρασκευάζονται με D-αλανίνη, ένα αμινοξύ που δεν βρίσκεται πουθενά αλλού στον κυτταρικό μεταβολισμό. Στα πειράματα, οι ερευνητές έδωσαν σε αναπτυσσόμενες καλλιέργειες κυττάρων αλευροφόρων εκδόσεις D-αλανίνης που είχαν επισημανθεί είτε με ένα βαρύ ισότοπο αζώτου είτε με φθορίζουσες ενώσεις, κάτι που τους επέτρεψε να εντοπίσουν τη θέση του στο κύτταρο και τους διάφορους μεταβολικούς μετασχηματισμούς του.

Τα ευρήματά τους επιβεβαίωσαν ότι η πλήρης βιοχημεία της σύνθεσης πεπτιδογλυκάνης λάμβανε χώρα μέσα στην ένθετη Moranella  ενδοσυμβίωσης.

Όταν οι ερευνητές είδαν για πρώτη φορά τα αποτελέσματα του πειράματος βαρέων ισοτόπων, θυμάται η Bublitz, ήταν σε ένα υπόγειο εργαστήριο με άλλους αποφοίτους και ερευνητές. «Η οθόνη εμφανίστηκε και άρχισε να δείχνει ότι το μοτίβο που περιμέναμε με την πεπτιδογλυκάνη ήταν πραγματικό, αλλά αφιερώσαμε μια στιγμή για να πάμε πίσω στο διάδρομο και να κοιτάξουμε την οθόνη από πολύ, πολύ μακριά για να βεβαιωθούμε ότι αυτό που βλέπαμε ήταν ακόμα ορατή», είπε. «Ήταν αυτό το επίπεδο δυσπιστίας». Οι ερευνητές κάλεσαν ακόμη και αγνώστους και τους ζήτησαν να περιγράψουν την εικόνα στην οθόνη για να δουν «αν ήταν τόσο προφανές για αυτούς όσο τυφλοί αναθεωρητές όπως ήταν για εμάς και ότι δεν βλέπαμε απλώς αυτό που θέλαμε να δούμε».

«Αυτό που με ενθουσιάζει περισσότερο είναι ότι αυτό δείχνει ότι αυτές οι περίπλοκες ενδοσυμβιώσεις λειτουργούν», είπε ο McCutcheon. Του έκανε επίσης εντύπωση η Moranella  και Tremblaya είναι τόσο ενσωματωμένα στα κύτταρα του αλευρόφυτου που αποτελούν ουσιαστικά μέρος τους:«Βλέποντας τη γενετική πολυπλοκότητα που βρίσκεται κάτω από αυτό διαβρώνει πραγματικά κάθε λειτουργική διάκριση μεταξύ ενδοσυμβίωσης και οργανιδίου».

Ο W. Ford Doolittle, εξελικτικός και μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Dalhousie στη Νέα Σκωτία, λέει ότι αυτή η μελέτη αντιπροσωπεύει «ένα απαραίτητο και συναρπαστικό ποσό βασικής αλήθειας» επειδή εξέτασε τη βιοχημεία που υπονοείται από τα γονιδιωματικά δεδομένα και έδειξε ότι τα κύτταρα είναι στην πραγματικότητα φτιάχνοντας αυτό που υποτίθεται ότι θα φτιάξουν. "Πιστεύω ότι αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό έγγραφο", είπε.

«Είναι πολύ δύσκολο να μπορούμε να δείξουμε ότι το πιο εσωτερικό βακτήριο δημιουργεί τα κυτταρικά τοιχώματα», δήλωσε ο Seemay Chou, βιοχημικός που μελετά τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ζώων και μικροβίων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο. "Είναι ένα πολύ δύσκολο τεχνικά πράγμα να επιδείξουμε."

"Αυτό που είναι εξαιρετικά άγριο σε αυτό είναι ότι ο καταμερισμός της εργασίας απαιτεί από τον ξενιστή να μεταφέρει κάτι μέσω πέντε διαφορετικών λιπιδικών μεμβρανών για να φτάσει στο εσωτερικό ενδοσυμβίωμα", πρόσθεσε.

Δεν είναι σαφές σε αυτό το σημείο εάν τα συμβιωτικά κύτταρα χρησιμοποιούν τους ίδιους μοριακούς μηχανισμούς που χρησιμοποιούν συνήθως τα ευκαρυωτικά κύτταρα για να μεταφέρουν πρωτεΐνες στις κυτταρικές μεμβράνες ή αν έπρεπε να εφεύρουν νέους τρόπους για να μετακινήσουν αυτό το φορτίο. Σύμφωνα με τον McCutcheon, ορισμένα στοιχεία δείχνουν ότι η Tremblaya , ο μεσάζων σε αυτήν την τριμερή συμβίωση, μεταφέρει ενεργά τα γονιδιακά προϊόντα μεταξύ του πυρήνα του ξενιστή και της Moranella  γονιδίωμα, επειδή κανένας από τους βαρείς μεταβολίτες με ισότοπο δεν κατέληγε στο Tremblaya . «Συμμετέχει με κάποιο τρόπο, αλλά αυτό το «πώς» είναι πραγματικά ένα μυστήριο», είπε.

Ο Ελεγκτής Συνεργάτης

Υπάρχει τουλάχιστον ένα άλλο γνωστό παράδειγμα ενδοσυμβίωσης που περιλαμβάνει κοινά γονίδια. Paulinella , ένας πρωτίστης, εξέλιξε έναν «δεύτερο χλωροπλάστε» ή χρωματοφόρο πριν από περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια αποκτώντας ένα κυανοβακτηριακό ενδοσυμβίωμα. Το γονιδίωμα του χρωματοφόρου λειτουργεί συμπληρωματικά με το γονιδίωμα του πρωτίστου ξενιστή για να δημιουργήσει το στρώμα πεπτιδογλυκάνης του χρωματοφόρου.

Ο McCutcheon υπέθεσε ότι και στις δύο Paulinella  και το αλευρόψαρο-Tremblaya-Moranella  η ενδοσυμβίωση, το γονιδιωματικό μωσαϊκό για την παραγωγή πεπτιδογλυκανών μπορεί να επιτρέψει στον ευκαρυωτικό ξενιστή να ελέγξει τα βακτηριακά του ενδοσυμβίωση. Εάν το ενδοσύμβιον αντιγραφόταν πολύ γρήγορα, θα μπορούσε να σκοτώσει τον ξενιστή. περιορίζοντας τον ρυθμό με τον οποίο τα βακτήρια μπορούν να χτίσουν κυτταρικά τοιχώματα, ο ξενιστής διατηρεί υπό έλεγχο τους κατοίκους του. Γιατί Moranella συνεχίζει να δημιουργεί ένα κυτταρικό τοίχωμα παραμένει μυστήριο, ωστόσο, επειδή είναι ήδη εγκλωβισμένο με ασφάλεια και στα δύο Tremblaya και το κύτταρο ξενιστή. "Σαφώς, το γεγονός ότι πρέπει να τα κάνει όλα αυτά υποδηλώνει ότι είναι σημαντικό για κάποιο λόγο", είπε ο Chou.

Ο McCutcheon πιστεύει ότι το mealybug ménage à trois μπορεί να περιέχει ενδείξεις για την εξέλιξη του πολύ παλαιότερου και πιθανώς πιο γνωστού οργανιδίου:των μιτοχονδρίων.

Τα μιτοχόνδρια προέκυψαν από ένα αλφαπρωτεοβακτήριο που καταβροχθίστηκε από έναν προκαρυωτικό (πιθανότατα μέλος της Αρχαίας) μεταξύ 1,5 και 2 δισεκατομμυρίων ετών πριν. Επειδή τα περισσότερα ζωντανά βακτήρια έχουν κυτταρικά τοιχώματα πεπτιδογλυκάνης, είναι πιθανό ότι τα αρχαία - συμπεριλαμβανομένου του προγόνου των μιτοχονδρίων - είχαν επίσης. Ο Bublitz υποθέτει ότι τα αλφαπρωτεοβακτήρια προσελήφθησαν από άλλο κύτταρο ή εισέβαλαν ενεργά σε αυτό και ότι το κύτταρο ξενιστής ήταν σε θέση να συν-επιλέξει την οδό της πεπτιδογλυκάνης και να ελέγξει την αντιγραφή του ενδοσυμβίου. Είναι πιθανό ο ξενιστής και τα πρώιμα μιτοχόνδρια τελικά να ενσωματωθούν περαιτέρω, τόσο πολύ που ο ξενιστής δεν χρειάζεται πλέον την οδό πεπτιδογλυκάνης για τον έλεγχο της διαίρεσης των μιτοχονδρίων. Η εκχώρηση ελέγχου στη σύνθεση της πεπτιδογλυκάνης μπορεί να είναι «ένα από αυτά τα πρώτα βήματα στη μετάβαση από ένα αυτόνομο βακτήριο σε κάποιο είδος λειτουργικού οργανιδίου», υπέθεσε ο Bublitz.

Επειδή τα μιτοχόνδρια είναι τόσο αρχαία, και επειδή εξελίχθηκαν μόνο μία φορά, είναι δύσκολο να ανασυνθέσουμε ακριβώς πώς εξελίχθηκε αυτή η ενδοσυμβίωση. Αυτό που γνωρίζουμε είναι ότι με την πάροδο του χρόνου τα μιτοχονδριακά γονιδιώματα έχασαν γονίδια, μερικά από τα οποία εισήχθησαν στο πυρηνικό γονιδίωμα. Σήμερα, στα περισσότερα ζώα που είναι αρκετά περίπλοκα ώστε να έχουν αμφίπλευρη συμμετρία, τα μιτοχονδριακά γονιδιώματα διατηρούν μόνο 37 γονίδια. τα μιτοχόνδρια βασίζονται σε περισσότερα από 1.000 γονίδια που βρίσκονται τώρα στον πυρήνα για να λειτουργήσουν. (Αντίθετα, τα ευκαρυωτικά μικρόβια έχουν συνήθως από τρία έως 69 μιτοχονδριακά γονίδια.) Αλλά ένα ελάχιστα γνωστό γεγονός είναι ότι πολλά από αυτά τα πυρηνικά γονίδια δεν προέρχονται από το αρχαίο μιτοχονδριακό γονιδίωμα. προήλθαν από άλλα βακτήρια σε οριζόντια γεγονότα μεταφοράς, λέει ο McCutcheon.

Η προέλευση αυτών των οριζόντια μεταφερόμενων γονιδίων είναι ένα θέμα που συζητείται έντονα στη μιτοχονδριακή βιολογία. Μια πιθανότητα είναι ότι τα αλφαπρωτεοβακτήρια τα απέκτησαν από άλλα βακτήρια πριν από το ενδοσυμβιωτικό γεγονός που παρήγαγε το ευκαρυωτικό κύτταρο και τα γονίδια στη συνέχεια μετακινήθηκαν στον πυρήνα του ξενιστή. Ένα άλλο είναι ότι τα οριζόντια μεταφερόμενα γονίδια έφτασαν στο πυρηνικό γονιδίωμα απευθείας από διάφορα βακτήρια με την πάροδο του χρόνου, μετά την εξέλιξη του ευκαρυωτικού κυττάρου.

Αν και δεν μπορούμε να είμαστε απολύτως βέβαιοι πώς εξελίχθηκε το αρχαιότερο οργανίδιο, ο αλευρώδης-Tremblaya-Moranella Η συμβίωση καταδεικνύει ότι το δεύτερο εξελικτικό σενάριο μπορεί να λειτουργήσει — ότι τα γονίδια από διαφορετικές βακτηριακές λοιμώξεις μπορούν να συσσωρεύονται αργά και να ενσωματωθούν σε λειτουργικές οδούς σε μια ενιαία οντότητα.

Αυτό που κάνει τα μιτοχόνδρια μοναδικά μεταξύ των ενδοσυμβίων-οργανιδίων είναι ότι αποτελούν το παλαιότερο παράδειγμα, είπε ο McCutcheon. «Αλλά η αρχαιότητα τους καθιστά δύσκολο να μελετηθούν και είναι δύσκολο να συμπεράνουμε τι συνέβη πριν γίνουν οργανίδια. Νομίζω ότι το θέμα είναι η Paulinella είναι ότι μας δίνει ένα παράθυρο για το τι μπορεί να έχει συμβεί."

Αν και τα μιτοχόνδρια ήταν μοναδικά επιτυχημένα, δεν τελειώνουν όλες οι ενδοσυμβιώσεις το ίδιο ευτυχώς. Προηγούμενη εργασία του McCutcheon έδειξε ότι τα τζιτζίκια έχουν ένα βακτηριακό ενδοσύμβιο, την Hodgkinia cicadicola , που κατακερματίστηκε σε περισσότερες από δύο δωδεκάδες σειρές μέσα στα κύτταρα του τζιτζίκι. Αυτές οι σειρές περιέχουν μόνο διαφορετικά υποσύνολα του Hodgkinia  γονιδίωμα. Μαζί, όλες οι σειρές έχουν το πλήρες συμπλήρωμα των γονιδίων που απαιτούνται για να κάνουν τα απαραίτητα αμινοξέα από τα οποία εξαρτώνται τα τζιτζίκια. Αλλά ο McCutcheon πιστεύει ότι αυτό είναι ένα παράδειγμα μιας μη προσαρμοστικής εξέλιξης ενδοσυμβίων που δημιουργεί δυσκολίες στον ξενιστή:Τα αυγά του τζιτζίκι πρέπει να πάρουν ένα πλήρες συμπλήρωμα των ενδοσυμβίων για να επιβιώσουν και η μεταβλητότητα στο τι παρέχουν οι διαφορετικοί συνδυασμοί ενδοσυμβίων δημιουργεί προβλήματα.

Ο McCutcheon και ο Bublitz εργάζονται τώρα για να καταλάβουν γιατί ορισμένες ενδοσυμβιώσεις εξελίσσονται σε σταθερές, επιτυχημένες συνεργασίες ενώ άλλες ξεφεύγουν από τον έλεγχο ή υποβαθμίζονται. "Αυτή τη στιγμή, δεν υπάρχει όπλο καπνίσματος ως προς το τι επιτρέπει σε κάποιον να επιμείνει", είπε ο Bublitz.