Ένα δισεκατομμύριο χρόνια πριν από το σεξ, τα αρχαία κύτταρα ήταν εξοπλισμένα για αυτό

Οι περισσότεροι πολύπλοκοι οργανισμοί εμπλέκονται σε ένα περίεργο κομμάτι γονιδιωματικών μαθηματικών κάποια στιγμή στη ζωή τους:Για να πολλαπλασιαστούν, αφαιρούν και μετά προσθέτουν. Δηλαδή, για να αναπαραχθούν μέσω της διαδικασίας της μείωσης δημιουργούν εξειδικευμένα σεξουαλικά κύτταρα, ή γαμέτες, με το ήμισυ του συνηθισμένου αριθμού χρωμοσωμάτων. Στη συνέχεια συγχωνεύουν ζεύγη αυτών των γαμετών για να δημιουργήσουν νέα άτομα με ένα πλήρες, μοναδικό γονιδίωμα. Η σεξουαλική αναπαραγωγή είναι σχεδόν πανταχού παρούσα μεταξύ των ευκαρυωτών - οργανισμών από φύκια μέχρι κοάλα που έχουν πυρήνα και οργανίδια που συνδέονται με τη μεμβράνη. Εμείς τα ζώα συγχωνεύουμε ένα σπέρμα και ένα ωάριο. τα μανιτάρια ξεφυτρώνουν από την υπόγεια σύγκρουση μυκητιακών νημάτων. Η γύρη στέλνει σωλήνες που διασχίζουν τους ιστούς των λουλουδιών για να ενώσουν τα ωάρια, δημιουργώντας φρούτα και σπόρους στο σημείο που συναντώνται.

Ωστόσο, η σύντηξη κυττάρων όπως αυτό είναι αντίθετη με τον κανονικό κύκλο ζωής των κυττάρων. Τα κύτταρα διαιρούνται στα δύο μέσω της μίτωσης για να αναπαραχθούν ασεξουαλικά, αλλά κατά τα άλλα προστατεύονται κυρίως από σημαντικές διαταραχές της ακεραιότητάς τους, οι οποίες θα μπορούσαν να εξαφανίσουν τη γενεαλογία τους.

Γιατί αυτή η επικίνδυνη διευθέτηση που πιάστηκε στην εξέλιξη έχει αποτελέσει αντικείμενο εντατικής μελέτης. Θεωρείται γενικά ότι ο σεξουαλικός ανασυνδυασμός βοηθά στο να διατηρείται το γονιδίωμα ενός είδους υγιές και αρκετά ποικιλόμορφο ώστε να αντισταθμίζει τους κινδύνους. Αλλά οι ερευνητές έχουν επίσης συγκεντρώσει μοριακές ενδείξεις για το πώς εξελίχτηκε.

Τώρα, έρευνα που κοινοποιήθηκε πρόσφατα στον διακομιστή προεκτύπωσης biorxiv.org υποδηλώνει ότι ορισμένα κύτταρα είχαν τη δύναμη να συγχωνεύουν τις μεμβράνες τους πολύ πίσω στην εξελικτική τους ιστορία. Ο μοριακός μηχανισμός που καθιστά δυνατό αυτό το μέρος της σεξουαλικής αναπαραγωγής μπορεί να υπήρχε πριν από περισσότερα από 2 δισεκατομμύρια χρόνια στα απλά προκαρυωτικά κύτταρα που ονομάζονται αρχαία, ίσως έως και ένα δισεκατομμύριο χρόνια πριν από την εξέλιξη των ευκαρυωτών και του φύλου. Αλλά τα νέα ευρήματα υποδηλώνουν επίσης μια εξήγηση για το γιατί αυτού του είδους η σύντηξη κυττάρων για σεξουαλική αναπαραγωγή δεν εμφανίστηκε νωρίτερα στην ιστορία της ζωής, όταν φαινομενικά θα μπορούσε να έχει συμβεί.

Μια ευρέως διαδεδομένη οικογένεια πρωτεϊνών σύντηξης

Σε όλο το γενεαλογικό δέντρο των ευκαρυωτών, η ίδια πρωτεΐνη επιτρέπει στις κυτταρικές μεμβράνες και στις πυρηνικές μεμβράνες των γαμετών να συγχωνεύονται:HAP2. Επειδή μοιράζεται τόσο παγκοσμίως στους ευκαρυώτες, «ο κοινός πρόγονος πρέπει να είχε τον ίδιο μηχανισμό», είπε ο Michael Brandeis, κυτταρικός βιολόγος στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ στο Ισραήλ.

Αλλά αυτός ο τελευταίος ευκαρυωτικός κοινός πρόγονος μπορεί να μην ήταν ο αρχικός φορέας της πρωτεΐνης. Το HAP2 ανήκει σε μια υπεροικογένεια «φουζεξινών», η οποία περιλαμβάνει μια κατηγορία πρωτεϊνών που χρησιμοποιούν ορισμένοι ιοί για τη σύντηξη των ιικών φακέλων τους με τις κυτταρικές μεμβράνες. Για τους εξελικτικούς βιολόγους, η σχέση του HAP2 με αυτές τις ιικές φουσεξίνες θέτει ένα αίνιγμα για τον «ιό ή το αυγό». Οι πρώτες φουσεξίνες εξελίχθηκαν στους αρχαίους ευκαρυώτες, μόνο για να κλέβονται από ιούς για τους δικούς τους σκοπούς; Ή μήπως οι φουσεξίνες ήταν μια ιογενής εφεύρεση που επιλέχθηκε από τους ευκαρυώτες σε κάποιο σημείο για τη σύντηξη γαμετών; Η εύρεση της αρχαιότερης μορφής φουσεξίνης, της πρωτεΐνης από την οποία εξελίχθηκαν όλα τα ευκαρυωτικά και ιικά παράγωγα, είναι κρίσιμη για την εκμάθηση αυτών των απαντήσεων.

Οι Αρχαίες ήταν ένα φυσικό μέρος για αναζήτηση απαντήσεων. Επειδή πιστεύεται ότι είναι πρόγονοι των ευκαρυωτών - ήταν οι αρχικοί ξενιστές των συμβιωτικών βακτηρίων που έγιναν μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες - τα αρχαία δείχνουν τι βρίσκεται κάτω από τη βάση του ευκαρυωτικού οικογενειακού δέντρου. Επιπλέον, οι ερευνητές έχουν εντοπίσει την προέλευση των γονιδίων που εμπλέκονται στη διαχείριση και τον ανασυνδυασμό του γενετικού υλικού κατά τη διάρκεια της μείωσης στα αρχαία. (Το Archaea φαίνεται να χρησιμοποιεί τις ειδικές ικανότητες αυτών των γονιδίων για να επιδιορθώσει άλλα γονίδια.) Έτσι, τα αρχαία είναι εκεί όπου η διεθνής συνεργασία επιστημόνων από το Ισραήλ, τη Σουηδία, την Αργεντινή, την Ουρουγουάη και άλλες χώρες πίσω από τη νέα μελέτη ξεκίνησε την αναζήτησή της για απαντήσεις.

Ο Benjamin Podbilewicz του Technion στη Χάιφα του Ισραήλ, ο Luca Jovine του Ινστιτούτου Karolinska στη Σουηδία, ο Pablo Aguilar του Ινστιτούτου Φυσιολογίας, Μοριακής Βιολογίας και Νευροεπιστημών στην Αργεντινή και οι συνάδελφοί τους προέβλεψαν πώς θα μπορούσε να μοιάζει μια υποθετική φουσεξίνη στην αρχαία, με βάση οι δομές και οι πρωτεϊνικές αλληλουχίες του HAP2 σε σύγχρονους ευκαρυώτες. Περαιτέρω εργασία, συμπεριλαμβανομένων σαρώσεων γονιδιωματικών βάσεων δεδομένων, τους οδήγησε σε 96 αρχαϊκά γονίδια που φαινόταν πιθανό να παράγουν πρωτεΐνες με σχήματα εντυπωσιακά παρόμοια με την προβλεπόμενη δομή της φουσεξίνης, με κάποιες τροποποιήσεις εδώ και εκεί. Οι ερευνητές ονόμασαν αυτά τα αρχαϊκά γονίδια fsxA .

Φαινόταν σαν η ομάδα να είχε ανακαλύψει αρχαίες φουσεξίνες σε αρχαϊκά γονιδιώματα, τις πρώτες που είχαν δει ποτέ σε αυτόν τον τομέα της ζωής. Αλλά δεν υπήρχε καμία εγγύηση ότι οι πρωτεΐνες θα συμπεριφέρονταν σαν φουσεξίνη σε ένα ζωντανό κυτταρικό σύστημα.

Έτσι, ο Podbilewicz και οι συνεργάτες του έφεραν στη ζωή τις ψιθυριστές δυνατότητες αυτών των γονιδίων. Ενσωμάτωσαν το fsxA σε καλλιεργημένα κύτταρα νεφρού χάμστερ και επέτρεψε την έκφραση των γονιδίων. Τροποποιώντας ορισμένα από τα κύτταρα ώστε να έχουν φθορίζοντες κόκκινους πυρήνες και άλλα να έχουν φθορίζοντες πράσινους πυρήνες, η ομάδα θα μπορούσε να ελέγξει εάν τα κύτταρα χρησιμοποιούσαν τις υποτιθέμενες αρχαϊκές φουσεξίνες για τη σύντηξη.

Και αυτό ακριβώς είδαν. Στα κύτταρα που παράγουν την πρωτεΐνη FsxA, ο πράσινος και ο κόκκινος πυρήνας αναμειγνύονται πέντε φορές πιο συχνά από ότι οι πυρήνες σε αμετάβλητα κύτταρα, επειδή τα κύτταρα με το fsxA γονίδιο συγχωνεύονταν σαν να ήταν ζεύγη γαμετών.

Η παρουσία λειτουργικών φουσεξινών στα αρχαία θα μπορούσε να σημαίνει ότι τα μοριακά εργαλεία για το σεξ προϋπήρχαν της εξέλιξης των ευκαρυωτών, προτείνουν οι ερευνητές. Με βάση την εξελικτική τους ανάλυση των γονιδίων, πιστεύουν ότι αυτές οι αρχαϊκές φουσεξίνες είναι η πιο πρωτόγονη μορφή της πρωτεΐνης που έχει δει μέχρι σήμερα και είναι πιθανό να είναι δισεκατομμυρίων ετών.

Λειτουργίες πριν από τη σύντηξη

Ο Paulo Gonzalez Hofstatter, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο στη Βραζιλία, ο οποίος δεν ασχολήθηκε με αυτήν την έρευνα, πιστεύει ότι τα ευρήματα καλύπτουν ένα κενό στη γνώση μας για την εξελικτική ιστορία. "Αλλά κατά κάποιο τρόπο, είναι επίσης λίγο προβλέψιμο", είπε, "επειδή βασικά ολόκληρος ο μηχανισμός για τη μείωση έχει αρχαία προέλευση."

Μπορεί επίσης να μην είναι η τελευταία λέξη για την προέλευση των φουσεξινών. Ο Hofstatter προειδοποίησε ότι είναι ακόμα πιθανό η πιο αρχαία φουσεξίνη να ήταν ιική:Το γονίδιο από τις ιικές πρωτεΐνες θα μπορούσε να έχει περάσει στα αρχαία και μετά στους ευκαρυώτες.

Είτε οι φουσεξίνες ήταν πραγματικά μια αρχαϊκή καινοτομία ή όχι, η νέα εργασία εγείρει σημαντικά ερωτήματα σχετικά με την αρχική λειτουργία αυτών των πρωτεϊνών.

Ο Andrew Pomiankowski, ένας εξελικτικός γενετιστής στο University College του Λονδίνου, σημειώνει ότι ενώ οι πρωτεΐνες FsxA φαίνεται να επιτρέπουν τη σύντηξη των κυττάρων όταν εκφράζονται σε ένα κύτταρο θηλαστικού, είναι ακόμα άγνωστο τι κάνουν αυτές οι υποτιθέμενες φουσεξίνες στα αρχαία. Είναι πιο δύσκολο να διερευνηθούν οι εσωτερικές λειτουργίες των αρχαίων από εκείνες των βακτηρίων, επειδή τα αρχαία τείνουν να είναι πολύ πιο δύσκολο να καλλιεργηθούν σε εργαστηριακά περιβάλλοντα, απαιτώντας συχνά έντονες περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως υπερβολική ζέστη ή πίεση.

Ωστόσο, επαινεί την προσέγγιση που έχουν ακολουθήσει ο Podbilewicz και η ομάδα του. «Θέτουν ακριβώς το σωστό ερώτημα:Τι στο διάολο κάνει αυτό το γονίδιο [σύντηξης] στους προκαρυώτες;» είπε.

Μια πιθανότητα είναι ότι οι φουσεξίνες βοηθούν τα αρχαία να διεξάγουν ένα είδος γενετικής ανταλλαγής που παραλληλίζεται χαλαρά με μια σεξουαλική διαδικασία. Ο Hofstatter επεσήμανε ότι ορισμένα είδη αρχαίων εκτελούν μια περιορισμένη μορφή κυτταρικής σύντηξης και ανασυνδυασμού DNA που μοιάζει αόριστα με τη μείωση. "Απλώς συγχωνεύονται, ανασυνδυάζονται και διαιρούνται ξανά", είπε.

Αντικατάσταση για πλευρικές μεταφορές

Ο τρόπος με τον οποίο οι φουσεξίνες πέρασαν από τα αρχαία σε ευκαρυώτες δεν είναι επίσης προφανές. Για τον Hofstatter, η πιο πιθανή εξήγηση είναι η άμεση (ή «κάθετη») κληρονομικότητα από τα αρχαία στην γενεαλογία που έγινε το κύτταρο ξενιστής στη συμβίωση αρχαίων-βακτηρίων που στηρίζει όλη την ευκαρυωτική ζωή. Ουσιαστικά, οι ευκαρυώτες μπορεί να έχουν γεννηθεί με αυτόν τον τρόπο, επαναχρησιμοποιώντας παλιά κόλπα από τους προγόνους τους.

Υπάρχουν όμως λόγοι για να είμαστε προσεκτικοί με αυτή την εξήγηση. Η Rachel Whitaker, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Illinois, Urbana-Champaign, εκπλήσσεται που η ομάδα βρήκε φουσεξίνες σε μια ομάδα αρχαίων που αγαπούν το αλάτι, τα Halobacteria, αλλά όχι στην ομάδα Crenarchaeota, που πιστεύεται ότι σχετίζονται στενότερα με ευκαρυώτες παρά είναι τα Halobacteria.

Μια δυνητικά σημαντική λεπτομέρεια που βρήκαν οι ερευνητές είναι ότι το fsxA Τα γονίδια κατοικούν σε ειδικά τμήματα του αρχαϊκού γονιδιώματος, γνωστά ως ολοκληρωμένα κινητά στοιχεία, τα οποία μπορούν να μετακινηθούν μέσα σε ένα γονιδίωμα και ακόμη και να μεταφερθούν σε γονιδιώματα άλλων ατόμων, μερικές φορές σε εμπόδια ειδών.

Εάν αυτά τα γονίδια φουσεξίνης είναι όντως κάπως πεταχτά, τότε είναι πιθανώς οι πρώτοι ευκαρυώτες να έλαβαν αυτά τα γονίδια σύντηξης από ένα αρχαϊκό κύτταρο και αργότερα να αναπροσαρμόσουν τα γονίδια για έναν ρόλο στη σύντηξη γαμετών σε ένα παράδειγμα «εξάπλωσης», την εξέλιξη του νέες χρήσεις για παλιά χαρακτηριστικά. Οι φουσεξίνες που μπορεί κάποτε να χρησιμοποιούνταν για περιορισμένη γενετική μεταφορά μεταξύ των αρχαϊκών κυττάρων μπορεί στη συνέχεια να δημιούργησαν την εξέλιξη της σεξουαλικής αναπαραγωγής - αυτό που οι ερευνητές ονόμασαν χαριτολογώντας «ευκαρυωτική σεξάπτιση» στην προεκτύπωσή τους. (Ο Podbilewicz και οι συνάδελφοί του αρνήθηκαν να πάρουν συνέντευξη για αυτό το άρθρο, εν αναμονή της αξιολόγησης από ομοτίμους για την έρευνά τους.)

Σε κάθε περίπτωση, η ανακάλυψη ότι οι αρχαίες αρχαίες πιθανώς είχαν αυτές τις πρωτεΐνες σύντηξης έχει επιπτώσεις στην κατανόησή μας για την εξέλιξη των ευκαρυωτών. Πράγματι, μπορεί να προσφέρει ενδείξεις για το γιατί η σεξουαλική κυτταρική σύντηξη δεν απογειώθηκε στους προκαρυώτες, παρόλο που υπήρχαν τα μοριακά υποστρώματα για αυτήν. Η λύση μπορεί να βρεθεί στους τρόπους με τους οποίους τα αρχαία συλλέγουν νέα γονίδια το ένα από το άλλο και το περιβάλλον, αλλά και στο γεγονός ότι οι πρωτοφουσεξίνες βρίσκονται σε κινητά γενετικά στοιχεία.

Ο Pomiankowski εξηγεί ότι τα προκαρυωτικά όπως τα αρχαία μπορούν να ανταλλάξουν γονίδια μέσω ιογενών λοιμώξεων ή μέσω πλασμιδίων, κομμάτια γενετικού υλικού που μπορούν να πηδήξουν μεταξύ των κυττάρων. Αλλά μπορούν επίσης να πάρουν DNA από το περιβάλλον και να το ανασυνδυάσουν στο γονιδίωμά τους, μια διαδικασία που ονομάζεται μετασχηματισμός. Αυτές οι πρακτικές ανταλλαγής γονιδίων μπορεί να βοηθήσουν στη διατήρηση των αρχαϊκών γονιδιωμάτων, είπε ο Pomiankowski, εισάγοντας νέα, δυνητικά χρήσιμα γονίδια και περιορίζοντας τη συσσώρευση επιβλαβών παραλλαγών γονιδίων.

Αλλά μόλις τα αρχαία και τα βακτήρια ένωσαν μόνιμα τις δυνάμεις τους ως ευκαρυώτες, αυτά τα κύτταρα έγιναν όλο και πιο πολύπλοκα και το γονιδίωμά τους διογκώθηκε γρήγορα σε μέγεθος. Κατά συνέπεια, η παλαιότερη στρατηγική «πλευρικής μεταφοράς γονιδίου» μπορεί να έχει καταστεί αβάσιμη.

«Το μειονέκτημα της πλευρικής μεταφοράς γονιδίων είναι ότι γίνεται όλο και λιγότερο καλό αν έχετε μεγαλύτερο γονιδίωμα», είπε ο Pomiankowski. «[Εάν] απλώς επιλέγετε λίγο DNA από το περιβάλλον, ποια είναι η πιθανότητα να ταιριάζει; Είναι μια φθίνουσα συνάρτηση του μεγέθους του γονιδιώματος."

Η κυτταρική σύντηξη - που έγινε δυνατή με επαναχρησιμοποιημένες προγονικές φουσεξίνες - μπορεί να έπαιξε καθοριστικό ρόλο στη μετάβαση σε ευκαρυώτες επιτρέποντας πιο συντονισμένη, μεγάλης κλίμακας γενετική ανταλλαγή:τη σεξουαλική αναπαραγωγή. Μια τέτοια ριζική μετατόπιση μπορεί να ήταν πιο κατάλληλη για τη διατήρηση του νεοσύστατου ευκαρυωτικού γονιδιώματος.

Οι οργανισμοί με τις απαντήσεις

Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι η σύντηξη γαμετών δεν εξελίχθηκε κυρίως προς όφελος των ίδιων των ευκαρυωτών. Μάλλον, θα μπορούσε να εξυπηρετούσε τους χειριστικούς σκοπούς αυτοσυντήρησης των φιλόδοξων γονιδίων. Επειδή οι αρχαϊκές φουσεξίνες συνδέονται τόσο στενά με κινητά γενετικά στοιχεία, ο Pomiankowski πιστεύει ότι οι φουσεξίνες θα μπορούσαν να είναι «κάποιο είδος στοιχείου που ήθελε να προκαλέσει σύντηξη μεταξύ των κυττάρων για δικό του όφελος». Με τη βοήθεια του ενσωματωμένου κινητού στοιχείου, το γονίδιο φουσεξίνης μπορεί να διευκόλυνε τον δικό του πολλαπλασιασμό, πρώτα μέσω προκαρυωτικής σύντηξης και στη συνέχεια με ευκαρυωτική σύντηξη και γενετική ανταλλαγή.

Αλλά ο Pomiankowski αναγνωρίζει ότι αυτή η θεωρία εξαρτάται από το ότι τα ενσωματωμένα κινητά στοιχεία στα αρχαία ήταν γνήσια γονίδια jumper, κάτι που είναι αβέβαιο. Τέτοια μετατιθέμενα στοιχεία είναι αρκετά ασυνήθιστα σε προκαρυώτες. Για τους ανθρώπους, «είσαι 50% μεταφερόμενα στοιχεία», είπε ο Pomiankowski. "Αλλά με τα βακτήρια, είναι περίπου 0,5%."

Η σύντηξη κυττάρων είναι ένα σημαντικό μέρος της σεξουαλικής αναπαραγωγής, αλλά υπήρξαν πολλά άλλα εξελικτικά βήματα μεταξύ της στοιχειώδους σύντηξης στα αρχαία και της σύντηξης σπέρματος και ωαρίων. Η διερεύνηση αυτής της εξελικτικής μετάβασης μπορεί να σημαίνει την εύρεση και τη μελέτη οργανισμών όσο το δυνατόν πιο κοντά στον τελευταίο κοινό πρόγονο των ευκαρυωτών.

Ο Hofstatter πιστεύει ότι αυτό θα σημαίνει πιθανώς να κοιτάξουμε πιο προσεκτικά τους μονοκύτταρους ευκαρυώτες που ονομάζονται μαστιγωτές, οι οποίοι είναι πολύ διαφορετικοί και άφθονοι στους υδρόβιους βιότοπους και πιστεύεται ότι μοιάζουν πολύ με τον τελευταίο κοινό πρόγονο των ευκαρυωτών. "Το κλειδί για την κατανόηση της προέλευσης του φύλου είναι η δειγματοληψία μερικών μαστιγωτών που δεν υπάρχουν στον πολιτισμό μέχρι στιγμής", είπε.

Ένα άλλο μέρος για να κοιτάξουμε είναι η αινιγματική καταγωγή των αρχαίων Asgard, που περιγράφηκαν μόλις πριν από λίγα χρόνια και πιστεύεται ότι είναι οι πιο στενοί συγγενείς των ευκαρυωτών. Ίσως είναι σε θέση να δώσουν κάποια λύση στο ερώτημα πώς η κυτταρική σύντηξη και άλλες διαδικασίες συνδυάστηκαν για να δημιουργήσουν το σεξ, εισάγοντας το ζωντανό, πολυσύχναστο κουβάρι της ευκαρυωτικής ζωής.