Eucariote: Povestea strămoșilor ei arheali

Gruparea tradițională a formelor de viață în procariote și eucariote a fost revizuită în 1977, când caracterizarea secvenței de ARNr a dezvăluit că arheele (numite pe atunci „arhebacterii”) sunt „la fel de îndepărtat legate de bacterii precum bacteriile de eucariote”. Acest lucru a necesitat gruparea organismelor vii. în eubacterii (cuprinzând toate bacteriile tipice), arhee și eucariote. A rămas problema originii eucariotelor. În timp util, dovezile au început să se construiască în favoarea strămoșilor arhei ai eucariotelor. De un interes deosebit a fost descoperirea că arhea Asgard are câteva sute de gene ale proteinelor semnături eucariote (ESP) în genomul lor. ESP joacă un rol crucial în dezvoltarea caracteristicilor citoscheletului și structurilor celulare complexe ale eucariotelor. Într-un studiu revoluționar publicat pe 21 decembrie 2022, cercetătorii au raportat cultivarea cu succes a unei culturi îmbogățite de evazive arhee Asgard pe care au fotografiat-o folosind tomografia crio-electronică. Ei au observat că celulele Asgard aveau într-adevăr un citoschelet complex bazat pe actină. Aceasta a fost prima dovadă vizuală directă a strămoșilor arhei ai eucariotelor, un pas semnificativ în înțelegerea originii eucariotelor.  

Până în 1977, formele de viață de pe Pământ au fost grupate în eucariotelor (forme complexe caracterizate prin includerea materialelor genetice ale celulei într-un nucleu bine definit și prezența citoscheletului) și procariote (forme de viață mai simple cu material genetic în citoplasmă fără un nucleu specificat, inclusiv bacterii și arhebacterii). Se credea că celular eucariotelor a evoluat acum aproximativ 2 miliarde de ani, probabil din procariote. Dar, cum exact au apărut eucariotele? Cum sunt formele de viață celulare complexe, legate de formele de viață celulare mai simple? Aceasta a fost o mare întrebare deschisă în biologie.  

Progresele tehnologice în biologia moleculară a genelor și proteinelor au ajutat la adâncirea în miezul problemei când, în 1977, s-a descoperit că arheile (numite pe atunci „arhebacterii”) sunt „”la fel de îndepărtat legat de bacterii precum sunt bacteriile eucariotelorDistincția anterioară a formelor de viață în procariote și eucariote se baza pe diferențele fenotipice la nivelul organelelor celulare. Relația filogenetică ar trebui, în schimb, să se bazeze pe o moleculă larg distribuită. ARN-ul ribozomal (ARNr) este o astfel de biomoleculă care este prezentă în toate sistemele de auto-replicare și ale cărei secvențe se modifică foarte puțin în timp. Analiza bazată pe caracterizarea secvenței ARNr a necesitat gruparea organismelor vii în eubacterii (cuprinzând toate bacteriile tipice), arheea, și eucariote¹.  

Ulterior, au început să apară dovezi ale unei relații mai strânse între arhei și eucariote. În 1983, s-a constatat că ARN polimerazele ADN-dependente ale arheilor și eucariotelor sunt de același tip; ambele prezintă proprietăți imunochimice uimitor de similare și ambele sunt derivate dintr-o structură ancestrală comună². Pe baza unui arbore filogenetic compozit dedus al unei perechi de proteine, un alt studiu publicat în 1989, a relevat o relație mai strânsă a arheilor cu eucariote decât cu eubacterii.³. Până în acest moment, originea arheală a eucariotelor a fost stabilit dar speciile arheale exacte au rămas de identificat și studiat.  

Creșterea studiilor genomice în urma succesului în proiectul genomului, a oferit o surpriză atât de necesară acestei zone. Între 2015-2020, mai multe studii au constatat că Asgard arheea poartă gene specifice eucariotelor. Genomul lor este îmbogățit cu proteine ​​considerate specifice eucariotelor. Aceste studii au identificat în mod clar ca arheele Asgard au cea mai apropiată apropiere genetică de eucariotă, în virtutea prezenței a sute de gene ale proteinelor semnături eucariote (ESP) în genomul lor.  

Următorul pas a fost vizualizarea fizică a structurii pivniței interne a arheei Asgard pentru a confirma rolul ESP, așa cum este larg susținut că ESP joacă un rol cheie în formarea structurilor celulare complexe. Pentru aceasta, au fost necesare culturi foarte îmbogățite ale acestei arhei, dar Asgard este cunoscut a fi evaziv și misterios. provocând dificultăți în cultivarea în cantitate suficient de mare pentru a le studia într-un laborator. Conform unui studiu raportat recent pe 21 decembrie 2022, această dificultate este acum depășită.  

Cercetătorii au, după șase ani de muncă asiduă, tehnici improvizate și au cultivat cu succes în laborator, o cultură foarte îmbogățită a "Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', membru al filum-ului Asgard. Aceasta a fost o realizare remarcabilă, și pentru că aceasta a permis cercetătorilor să vizualizeze și să studieze structurile celulare interioare din Asgard.    

Tomografia crio-electronică a fost folosită pentru imaginea culturii de îmbogățire. Celulele Asgard aveau corpuri celulare cocoide și o rețea de proeminențe ramificate. Structura suprafeței celulare a fost complexă. Citoscheletul extins pe tot corpul celular. Filamentele dublu catenare răsucite cuprind Lokiactin (adică omologii de actină codificați de Lokiarchaeota). Astfel, celulele Asgard aveau un citoschelet complex pe bază de actină, pe care cercetătorii îl propun, antecedente evoluției primei eucariotelor.  

Fiind prima dovadă fizică/vizuală concretă a strămoșilor arhei ai eucariotelor, acesta este un progres remarcabil în biologie.

*** 

Referinte:  

1. Woese CR și Fox GE, 1977. Structura filogenetică a domeniului procariotic: regnurile primare. Publicat noiembrie 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Huet, J., et al 1983. Arhebacteriile și eucariotele posedă ARN polimeraze de tip comun dependente de ADN. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Iwabe, N., et al 1989. Relația evolutivă a arhebacteriilor, eubacteriilor și eucariotelor deduse din arbori filogenetici ai genelor duplicate. Proc. Natl Acad. Sci. SUA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Rodrigues-Oliveira, T., et al. 2022. Citoscheletul de actină și arhitectura celulară complexă într-un arheon Asgard. Publicat: 21 decembrie 2022. Nature (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***