Это все от Луки

На этой неделе немецкие биологи под руководством Уильями Мартина из Университета Дюссельдорфа опубликовали новую реконструкцию генома LUCA. Статья очень понравилась СМИ, журналисты объявили о том, что вот, наконец-то мы узнали, как выглядел наш всеобщий предок и где он живет. Здесь мы попробовали максимально просто объяснить: что на самом деле нового в новой работе, кто такой LUCA, как биологи его ищут и действительно ли его удалось сейчас найти.

Что это за организм, «Лука», которого сейчас нашли биологи? Что за странное имя?

«Лука» это Last Universal Common Ancestor — последний общий предок всех ныне существующих живых организмов. Поскольку все мы, — включая грибы, бактерий и каких-нибудь экстремофилов из глубин океана — родственники, то, очевидно, у всех у нас есть общие предки. LUCA это не просто общий предок, а последний общий предок для всей ныне известной жизни.

Его действительно сейчас удалось найти ученым? И как он выглядит?

Нет, здесь проблема в словах «сейчас» и «найти». Во-первых, концепция единого последнего общего предка появилась далеко не «сейчас»: ее предлагал еще Дарвин, а с развитием геномики в последние два десятилетия появилось множество работ о конкретной молекулярной природе LUCA. Во-вторых, в живом виде LUCA нельзя «найти» — речь идет о реконструкции того, каким он должен был быть миллиарды лет назад. Делается это на основании исследования тех генов, которые объединяют всю ныне существующую жизнь. Конечно, некоторые ныне живущие бактерии могут в той или иной степени быть похожи на нашего общего древнего предка, но быть похожим на него и быть им самим — разные вещи.

А с чего вообще кто-то решил, что миллиарды лет назад существовал какой-то общий предок, от которого и окаменелостей-то не осталось?

Окаменелостей LUCA действительно не осталось (зато есть строматолиты), однако остались следы эволюции в генах ныне живущих клеток. И эти следы позволяют заглянуть в историю эволюции даже глубже, чем все нынешние или будущие окаменелости.

Главным аргументом в пользу существования LUCA является единство ключевых молекулярных систем в живых клетках. Например, бактерии, грибы, растения, люди и археи (безъядерные одноклеточные организмы, внешне похожие на бактерий, но на молекулярном уровне более близкие к животным и растениям) используют один и тот же генетический код. Генетический код определяет то, как последовательность ДНК или РНК превращается в последовательность аминокислот в белке. Никакой объективной (физической или химической) необходимости в том, чтобы, скажем, нуклеотиды «GCU» в РНК означали для белка именно аминокислоту «аланин», — нет. Тем не менее, такое соответствие соблюдается во всех без исключения клетках, а значит, оно было унаследовано от общего предка (следует уточнить, что вообще говоря небольшие модификации генетического кода все-таки встречаются. Однако в таких случаях сразу бросается в глаза, что речь идет о модификациях, — то есть изменениях исходного стандарта — а вовсе не о каких-то древних вариантах кода).

Помимо универсального генетического кода все ныне живущие клетки объединяет сотня-другая родственных генов. Особенно много таких универсальных генов в области синтеза белка: все мы используем очень похожие рибосомы (существует два главных варианта этих органелл, — архейный и бактериальный — но в глобальном смысле это почти одно и то же). Среди необходимых для работы рибосом вспомогательных белков тоже много универсально распространенных. Еще у всех живых клеток есть общие ферменты, которые активируют аминокислоту перед тем, как присоединить ее к растущему белку, и все мы для синтеза РНК пользуемся почти одинаковыми РНК-полимеразами.

Важно отметить, что возникновение такого сходства в результате чистой случайности или даже конвергенции совершенно невероятно. Конвергенция в эволюции — это когда в сходных условиях из разного материала появляются сходные признаки, пример: крылья птиц и летучих мышей. Почему такая возможность невероятна? Потому что структура универсальных генов зависит прежде всего от их истории, а не от их текущей функции. Например, можно внести в последовательности универсальных генов очень много искусственных изменений таким образом, что эти гены все равно продолжат работать. Это говорит о том, что жесткой функциональной необходимости в том, чтобы универсальные гены были именно такими, какими мы их наблюдаем сейчас, нет. Сходство между последовательностями генов разных организмов, которое мы видим — это результат общего происхождения, а не общей функции. Это результат существования общего предка.

Ок, значит LUCA — это что-то вроде примитивной бактерии, геном которой состоял из универсальных генов, набор которых мы знаем по данным биоинформатики.

В таком случае мы могли бы узнать очень много о биологии и природе LUCA. Но, к сожалению, это не так.

Дело в том, что каким бы методом мы не составляли набор универсальных генов, он оказывается недостаточен для существования даже самой примитивной клетки. Грубо говоря, мы знаем около сотни универсальных генных семейств (точнее говоря, это почти универсальные деревья родственных генов — NUTs). Но при этом одновременно понятно, что даже самая примитивная клетка не могла бы обойтись менее чем пятью сотнями белок-кодирующих генов — то есть универсальных генов сильно не хватает для реконструкции минимального набора.

Недавно группой Крейга Вентера была получена интересная экспериментальная оценка минимального для клетки набора генов: ученые синтезировали искусственный геном паразитической микоплазмы и выкинули из него все, что только было можно (об этой работе мы уже подробно писали). В геноме бактерии-минималиста осталось 473 гена. Это, конечно, не значит, что у LUCA был такой же набор, но эта цифра дает неплохую приблизительную оценку необходимого размера генома.

Реконструкция генома LUCA — увлекательное занятие для биоинформатиков. Основная часть исследований в этой области как раз сводится к тому, чтобы создать и протестировать новый подход к реконструкции предкового генома (вот небольшой обзор). Затем, проанализировав этот гипотетический геном, можно сделать выводы о биохимии нашего последнего общего предка. Именно в этом суть новой работы Уильяма Мартина и команды, которая сейчас почему-то всколыхнула мировые СМИ. В ней ученые применили новый способ поиска предковых генов, который, по их словам, позволяет лучше учесть поздние события горизонтального переноса и дает более корректный (чем обычно) результат реконструкции.

Однако, как бы мы ни пытались реконструировать геном LUCA, важнее оказываются все-таки не конкретные детали состава, а масштабность наблюдаемых пропусков. Можно смело сказать, что в нашем представлении о геноме LUCA есть зияющие дыры. Например, не существует универсальных генов, обеспечивающих репликацию ДНК (на минуточку!). Нет и универсальных генов биохимии клеточных мембран, они устроены очень по-разному у бактерий и архей. Не имея универсальных генов в этой области, мы не можем быть уверены в том, что у LUCA была ДНК и клеточная мембрана.

Как может не быть универсальных генов репликации ДНК, если вся клеточная жизнь на ней основана? И как можно жить без мембраны?

Удивительно, но это так: механизмы синтеза белка и транскрипции РНК у всех организмов почти одинаковые, а вот с ДНК и мембранами ситуация иная. Археи, бактерии и эукариоты используют разные, не родственные гены, управляющие репликацией ДНК и биогенезом мембран. Ситуация осложняется тем, что несмотря на это некоторые отдельные важные мембранные белки все-же универсальны (компоненты АТФ-синтетазы и SRP), но как так получилось — пока не ясно.

Как можно объяснить существования зияющих дыр в геноме LUCA?

Есть два принципиально разных подхода. Один подразумевает, что на раннем этапе возникновения жизни одновременно существовали два варианта каждой из систем, которые работали в каком-то гибридном режиме. Затем в разных линиях жизни — у архей и бактерий — разные варианты были утеряны, отсюда и отсутствие единообразия.

Второй подход решения этой проблемы подразумевает, что у LUCA вообще не был похож на нормальную клетку, что это было скорее сетевое сообщество не разделенное мембранами и полагающееся на РНК как на носитель генетической информации, а не на ДНК. В этом сценарии полноценный ДНК-геном и мембрана возникли уже после разделения двух главных ветвей жизни. Поэтому правильнее такого общего предка называть не Last Universal Common Ancestor, а Last Universal Common Ancestor State или LUCAS. У обоих подходов есть большие теоретические и экспериментальные трудности, но второй изящнее по крайней мере в том, что он минималистичнее в своих построениях. К нему склоняются многие известные биологи, например Евгений Кунин и тот же Уильям Мартин.

И как мог выглядеть LUCA(S) в соответствии с этим подходом?

Одна из самых разработанных версий — это эволюция внутри геотермальных неорганических ячеек. Где одновременно существуют общие химические градиенты, обеспечивающие протожизнь энергией, и структурированность на микроуровне, которая позволяет успешным наборам РНК и белков существовать в ячейках отдельно, но не изолированно от внешней среды. Без клеточных мембран.

Одна из возможных версий такой жизни уже была подробно разработана серией работ группы Уильяма Мартина и Майкла Рассела (первый из них возглавил коллектив авторов нынешней статьи в Nature Microbiology). Речь идет о геотермальных источниках, где в океан поступают аммиак, сульфиды и, главное, молекулярный водород. Эти источники окружены причудливыми напластованиями, отдаленно напоминающих сталактиты и сталагмиты, внутри которых имеются ячеистые кластеры сульфидов железа и никеля. Внутри этих источников существует градиент температуры, pH и уровня кислорода. В них проходят процессы восстановления углерода из CO₂ до метана и уксусной кислоты за счет молекулярного водорода. Кластеры сульфидов катализируют эти процессы, но простые органические соединения могут ускорять их еще сильнее и за счет этого вырабатывать необходимую для жизни энергию.

Замечательное свойство кластеров заключается в том, что они проницаемы для источников энергии и продуктов метаболизма, но сохраняют в себе органическое содержимое — аминокислоты, нуклеотиды и т. д. Такая полупроницаемость — жизненно необходимое свойство биологических мембран. Сейчас оно обеспечивается множеством сложных трансмембранных белков, но у LUCA их, судя по всему, не было. Все это делает модель подземных геотермальных источников привлекательной (но ни в коем случае не единственной) моделью «дома» для LUCA.

Главный вывод из анализа новой реконструкции генома последнего предка заключается в том, что полученный авторами набор генов, видимо, подтверждает привязанность LUCA к восстановительной биохимии геотермальных источников. Другими словами, гипотеза о том, что именно такие источники (а не, скажем, дарвиновский «теплый пруд») были колыбелью жизни, получает дополнительный вес независимым образом — за счет анализа универсальных генов.

Однако следует учитывать, что новая реконструкция, конечно, далеко не единственная в своем роде (об этом СМИ обычно не говорят). Кроме того, существуют другие, не менее правдоподобные варианты биохимии LUCA, с которыми новая реконструкция не так хорошо согласуется. Связанные, например, не с морскими геотермальными источниками, а с более близкими по своему химическому составу к клетке наземными. Поскольку новая реконструкция прямо подтверждает особенности модели морской геотермальной гипотезы (выдвинутой теми же авторами), то спешить с оценкой революционности новой работы не следует. Прежде чем объявлять вопрос природы LUCA окончательно закрытым и заявлять «о находке предка всего живого», разумнее дождаться критического анализа новой работы от других специалистов по эволюционной геномике. У них есть свои, не менее интересные модели биохимии последнего общего предка.

Что еще почитать на эту тему?

Литература о происхождении жизни неисчерпаема, но вот несколько свежих книг разного уровня сложности по-русски:

Александр Ершов