Сложный, «растущий» LECA и темные века эволюции эукариот

Реконструкция LECA

Закрепление главных черт клеточной организации и, что более важно, существование большого набора генов, остающихся консервативными у всех или у большинства ранообразных эукариот, не оставляет сомнений, что все ныне существующие эукариоты произошли от одного общего предка (Last Eukaryote Common Ancestor, LECA). Как обсуждалось в начале этой главы, все эукариоты, которые были изучены достаточно детально, имеют либо митохондрии, либо МПО. Самое простое (самое экономное) заключение из этого положения вещей состоит в том, что LECA уже обладал митохондриями. И повторюсь, правдоподобность этого вывода возрастает с каждой новой описанной группой эукариот, в которой обнаруживаются органеллы, подобные митохондриям.

Реконструкция эволюции генного репертуара эукариот основана на тех же принципах и методах, что и реконструкция эволюции прокариот, обрисованная в главе 5, – в общем и целом, это принципы наибольшей экономии и наибольшего правдоподобия. Описывая суть этих подходов очень упрощенно, можно сказать, что происхождение генов, представленных у различных ныне живущих представителей главных линий эукариот, и даже предположительно потерянных в некоторых линиях, можно отследить вплоть до LECA. Результаты всех этих реконструкций согласованно указывают на сложность LECA как в отношении числа предковых генов, так и, что может быть даже более важно, в отношении наличия у предка типичных функциональных систем эукариотической клетки. Максимально экономные реконструкции, основанные на филетических паттернах в кластерах ортологичных генов эукариот, относят к LECA приблизительно 4100 генов (Koonin et al., 2004). Такие оценки очень консервативны, поскольку они не принимают во внимание главного аспекта эволюции эукариот – специфической для индивидуальных ветвей утраты предковых генов. Действительно, даже животные и растения, по-видимому наименее склонные к утрате генов эукариотические царства, явно утратили около 20 процентов предполагаемых предковых генов, идентифицированных у свободноживущего представителя Excavata Naegleria gruberi (Fritz-Laylin et al., 2010; Koonin, 2010b). Таким образом, эти реконструкции означают, что геном LECA был не менее сложным, чем геном типичных современных свободноживущих одноклеточных эукариот (Koonin, 2010a).

Этот вывод подтверждается сравнительно-геномными реконструкциями предковой композиции ключевых функциональных систем LECA, таких как поры ядра (Mans et al., 2004), сплайсосомы (Collins and Penny, 2005), аппарата РНК-интерференции (Shabalina and Koonin, 2008), системы передачи сигналов посредством убиквитина и протеасом (Hochstrasser, 2009), аппарата внутренних мембран (Field and Dacks, 2009) и аппарата деления клетки (Makarova et al., 2010). Итоги этих исследований ясны и согласуются между собой, даже когда в качестве шаблона для реконструкции используются различные топологии филогенетического древа эукариот: LECA уже обладал всеми этими структурами со всей их функциональностью, возможно столь же сложной, как и у современных эукариот.

Реконструкция других аспектов геномной композиции и архитектуры LECA также указывает на высокую сложность предкового генома. Сравнительный геномный анализ положения интронов в ортологических генах внутри супергрупп и между ними свидетельствует о высокой плотности интронов у предков супергрупп и у LECA, не меньшей, чем у современных свободноживущих одноклеточных эукариот, a вероятнее всего, близкой к богатым интронами генам животных и растений (ниже в данной главе мы вернемся к примечательной истории эукариотических интронов более подробно).

Систематический анализ широко распространенных паралогичных генов эукариот указывает на то, что LECA предшествовали сотни дупликаций, особенно генов, вовлеченных в кругооборот белков, таких как молекулярные шапероны (Makarova et al., 2005). В итоге эти результаты ясно показывают, что LECA был типичной, полностью развитой эукариотической клеткой. В последующей эволюции эукариот не проявляется постоянной тенденции к повышению сложности клеток, за исключением специфических для ряда линий «украшательств», обнаруженных в группах многоклеточных (животных, растений и бурых водорослей), а также у некоторых протист, таких как зеленые водоросли или жгутиконосцы.