У бактерий обнаружили аналоги ядерных пор

Австралийские ученые обнаружили в бактериальных клетках комплексы, поразительно похожие на эукариотические. Выяснилось, что внутренние мембраны исследуемых бактерий содержат поры, сходные по строению с ядерными порами эукариот — они обладают восьмилучевой симметрией и стандартной для ядерных пор структурой колец и корзины. Исследование опубликовано в PLoS One.

Бактерии, в отличие от эукариотических клеток, не имеют ядра и других мембранных компарментов внутри клетки. Тип планктомицеты — одно из редких исключений. Эти бактерии обладают отдельными внутренними мембранами, разделяющими цитоплазму на несколько частей. Основные компартменты внутри такой клетки — парифоплазма (область под внешней мембраной без рибосом) перрелюсома (область с рибосомами) и нуклеоид, окружающий ДНК. Нуклеоид представлен двойным липидным бислоем, то есть имеет внутреннюю и наружную мембрану, подобно ядерной оболочке эукариот. У эукариот в такой ядерной оболочке находятся поры — большие белковые комплексы, предназначенные для транспорта макромолекул в ядро и из ядра.

С помощью трансмиссионной электронной микроскопии ученым удалось показать, что во внутренних мембранах исследуемого представителя планктомицетов, Gemmata obscuriglobus (подвергнутого заморозке при высоком давлении или процедуре криозамещения), можно увидеть похожие на поры структуры размером около 35 нанометров, что примерно в три раза меньше эукариотических ядерных пор. Эти структуры состоят из колец, напоминающих кольца эукариотических ядерных пор, и равномерно распределены по всему слою мембраны. На один квадратный микрометр мембраны приходится около 87 таких комплексов.

Метод замораживания-разрушения перед микроскопией позволил получить еще более точные снимки этих структур. На изображениях каждая пора представлена круглым комплексом со внешним кольцом и внутренним кольцом, окружающим более темный центр. Негативное окрашивание срезов и последующее увеличение снимков позволило обнаружить наличие «затычек» в некоторых из пор, также характерных для эукариот. Кроме того, были найдены и более мелкие классы пор, размером около 14 нанометров и около 5 нанометров, но из-за недостаточной величины они меньше похожи на эукариотические и едва ли обладают похожими свойствами.

Дальнейшие эксперименты показали, что в клетках Gemmata obscuriglobus есть три основных типа мембран, и только в одном из них имеются поры. Это свидетельствует о том, что функция пор достаточно специфична, а их местоположение не случайно. Электронная томография соответствующей фракции мембран и последующая 3D-реконструкция показала, что поры обладают восьмилучевой симметрией, связанной, по-видимому, с блоковой структурой, и имеют форму корзины, вновь напоминающую эукариотические поры.

После этого ученые проанализировали белковый состав разных внутренних мембран. АТФ-азные структуры, обнаруженные в некоторых мембранных фракциях, отсутствовали во фракции мембран с порами, что свидетельствует о том, что поры не имеют отношения к электронному транспорту и запасанию энергии. Из 128 белков фракции с порами треть оказалась уникальной для этого типа мембран. Биоинформатический анализ показал, что многие из них не похожи ни на какие известные белки других организмов.

Объединение белков в кластеры по признаку внутреннего сходства позволило выявить среди них две основные группы белков. Один из этих кластеров был представлен белками, содержащими бета-пропеллеры в консервативной последовательности С-конца — структуры, характерные для белков эукариотических ядерных пор. Ученые стали искать другие подобные случаи, и обнаружили еще два белка, напоминающие по структуре адаптеры клатрина, также входящие в состав эукариотических ядерных пор. При этом, несмотря на структурное сходство, сами последовательности бактериальных и эукариотических белков не были похожи, что свидетельствует против теории недавнего горизонтального переноса генов.

Ученые полагают, что сходство обнаруженных поровых комплексов у бактерий и хорошо изученных ядерных пор эукариот, по-видимому, не результат общего происхождения, а следствие поразительной конвергенции, касающейся как общей архитектуры пор, так и структуры конкретных белков. Судя по всему, именно такое строение оказывается оптимальным при необходимости переносить макромолекулы сквозь мембраны. Ранее мы рассказывали о том, как механизмы конвергенции могут делать похожими даже довольно далекие организмы, но трудно себе представить кого-нибудь более далекого, чем современные эукариоты и бактерии.

Анна Казнадзей