stringtranslate.com

Локиархеота

Lokiarchaeota — предполагаемый тип архей . [1] Этот тип включает всех членов группы, ранее называвшейся группой глубоководных архей, также известной как морская бентосная группа B. Lokiarchaeota является частью супертипа Asgard , содержащего типы: Lokiarchaeota, Thorarchaeota , Odinarchaeota , Heimdallarchaeota и Helarchaeota. [2] Филогенетический анализ выявил монофилетическую группировку Lokiarchaeota с эукариотами . Анализ выявил несколько генов, выполняющих функции, связанные с клеточной мембраной . Наличие таких генов подтверждает гипотезу об архейном хозяине, ответственном за возникновение эукариот; эоцитоподобные сценарии .

Lokiarchaeota была интродуцирована в 2015 году после идентификации генома -кандидата в ходе метагеномного анализа образца срединно-океанических отложений. Этот анализ предполагает существование рода одноклеточной жизни, получившего название Lokiarchaeum . Образец был взят возле гидротермального источника на жерлом поле, известном как Замок Локи , расположенном на излучине между хребтами Монса и Книповича в Северном Ледовитом океане . [3]

Открытие

Были проанализированы осадки гравитационного керна , взятого в 2010 году в рифтовой долине на хребте Книповича в Северном Ледовитом океане, вблизи так называемого гидротермального жерла «Замок Локи» . Конкретные горизонты отложений, которые, как ранее было показано, содержат большое количество новых линий архей [4] [5], были подвергнуты метагеномному анализу. Из-за низкой плотности клеток в осадке полученная генетическая последовательность не происходит из изолированной клетки, как это было бы в случае обычного анализа, а скорее представляет собой комбинацию генетических фрагментов. [6] Результатом стал полный на 92% составной геном с 1,4-кратной избыточностью под названием Lokiarchaeum . [3]

Метагеномный анализ определил наличие генома организма в образце. [3] Однако сам организм не был культивирован лишь несколько лет спустя: японская группа впервые сообщила об выделении и культивировании штамма Lokiarchaeota в 2019 году. [7] С момента первого культивирования Lokiarchaeota о членах этого типа сообщалось в разнообразный спектр местообитаний. Достижения в области технологий секвенирования ДНК как с длинным, так и с коротким считыванием также помогли выявить и идентифицировать Lokiarchaeota из микробных образцов. [2]

Тип Lokiarchaeota был предложен на основе филогенетического анализа с использованием набора высококонсервативных генов, кодирующих белки. [3] Благодаря отсылке к гидротермальному комплексу, из которого произошел первый образец генома, название относится к Локи , скандинавскому богу, меняющему форму. [6] Литературный Локи описывается как «поразительно сложная, запутанная и амбивалентная фигура, которая была катализатором бесчисленных неразрешенных научных споров», [8] аналогия с ролью Локиархеоты в дебатах о происхождении эукариот. . [3]

Описание

Кандидат прометеоархеум синтрофикум. (в) СЭМ делящейся клетки. Масштабная линейка = 1 мкм. (г) Крио-ЭМ одной клетки. Масштабная линейка = 500 мкм. Белые стрелки указывают на крупные мембранные везикулы.

Составной геном Lokiarchaeum состоит из 5381 гена , кодирующего белок . Из них примерно 32% не соответствуют ни одному известному белку, 26% очень напоминают белки архей и 29% соответствуют бактериальным белкам. Эта ситуация согласуется с тем, что: (i) белки из нового типа (с небольшим количеством близких родственников или вообще без них) трудно отнести к их правильному домену ; и (ii) существующие исследования, которые предполагают, что между бактериями и архей произошел значительный междоменный перенос генов .

Небольшая, но значительная часть белков (175, 3,3%), которые кодируют восстановленные гены, очень похожа на эукариотические белки. Эти белки включали гомологи белков цитоскелета, ГТФаз и белкового комплекса олигосахарилтрансферазы (ОСТ). При анализе генома локиархеот также были идентифицированы гомологи компонентов эндосомального сортировочного комплекса, необходимых для транспорта, и системы белков-модификаторов убиквитина. [2] Загрязнение образца является маловероятным объяснением необычных белков, поскольку восстановленные гены всегда были окружены генами прокариот , и в метагеноме, из которого был извлечен составной геном, не было обнаружено генов известного эукариотического происхождения. Кроме того, предыдущий филогенетический анализ показал, что рассматриваемые гены произошли от основания эукариотических клад . [3]

У эукариот функции этих общих белков включают деформацию клеточной мембраны , формирование формы клетки и динамический белковый цитоскелет . [3] [9] [10] Функции эукариотических белков, обнаруженные у Lokiarchaeota, также включают механизмы внутриклеточного транспорта. [11] Таким образом, предполагается, что Локиархеум может обладать некоторыми из этих способностей. [3] Другой общий белок, актин , необходим для фагоцитоза у эукариот. [6] [9] Фагоцитоз – это способность поглощать и потреблять другую частицу; такая способность облегчила бы эндосимбиотическое происхождение митохондрий и хлоропластов , что является ключевым различием между прокариотами и эукариотами. [3] Наличие актиновых белков и механизмов внутриклеточного транспорта свидетельствует об общем происхождении древних локиархейот и эукарий. [11]

Таксономия

Эволюционное значение

Схематическое древо эволюции архей, включая Lokiarchaeota и корень эукариот [3]

Сравнительный анализ генома Lokiarchaeum с известными геномами привел к созданию филогенетического дерева , которое показало монофилетическую группу, состоящую из Lokiarchaeota и эукариот, [14] что подтверждает архейный хозяин или эоцитоподобные сценарии появления эукариот. [15] [16] [17] Репертуар мембранных функций Lokiarchaeum позволяет предположить, что общий предок эукариот может быть промежуточным звеном между прокариотическими клетками, лишенными субклеточных структур, и эукариотическими клетками, которые содержат множество органелл. . [3]

Трехдоменная система Карла Вёзе делит клеточную жизнь на три домена: археи, бактерии и эукариоты; последний характеризуется большими, высокоразвитыми клетками, содержащими митохондрии , которые помогают клеткам вырабатывать АТФ (аденозинтрифосфат, энергетический ресурс клетки), и связанное с мембраной ядро , содержащее нуклеиновые кислоты . Простейшие и все многоклеточные организмы, такие как животные, грибы и растения, являются эукариотами.

Бактерии и археи считаются самыми древними из линий, [18] поскольку ископаемые слои, несущие химические признаки архейных липидов , датируются 3,8 миллиарда лет назад. [19] К эукариотам относятся все сложные клетки и почти все многоклеточные организмы. Считается, что они появились между 1,6 и 2,1 миллиарда лет назад. [20] Хотя эволюция эукариот считается событием огромной эволюционной значимости, никаких промежуточных форм или «недостающих звеньев» ранее обнаружено не было. В этом контексте открытие Lokiarchaeum с некоторыми, но не всеми характеристиками эукариот, свидетельствует о переходе от архей к эукариотам. [21] Локиархеоты и эукариоты, вероятно, имели общего предка, и если это так, то они разошлись примерно два миллиарда лет назад. Доказательства общего происхождения, а не эволюционного перехода от локиархеот к эукариотам, обнаруживаются при анализе складчатых суперсемейств (FSF). Складные суперсемейства представляют собой эволюционно определенные домены белковой структуры. По оценкам, всего в природе встречается около 2500 FSF. [11] Использование диаграмм Венна позволило исследователям изобразить распределение FSF тех, которые были общими для архей и эукарий, а также тех, которые уникальны для их соответствующих царств. Добавление Lokiarchaeum в группы Венна, созданные в результате первоначальной геномной переписи, добавило к Archaea только 10 FSF. Добавление Lokiarchaeum также способствовало уменьшению двух FSF, ранее уникальных для Eukarya. Исключительно в Эукарии по-прежнему было обнаружено 284 FSF. Ограниченное влияние Lokiarchaeota на изменение распределения FSF по Венну демонстрирует отсутствие генов, которые можно было бы проследить до общего предка с эукариотами. Скорее всего, эукариотические гены, присутствующие в бактериальных и архейных организмах, предположительно произошли в результате горизонтального переноса от раннего предка современных эукариот. [11] Этот предполагаемый предок обладал важнейшими «стартовыми» генами, которые способствовали увеличению клеточной сложности. Этот общий предок или родственник в конечном итоге привел к эволюции эукариот. [6]

В 2020 году японская исследовательская группа сообщила о культивировании в лаборатории штамма Lokiarchaeota. [22] [23] [7] Этот штамм, в настоящее время называемый штаммом Candidatus Prometheoarchaeum syntropicum MK-D1, наблюдался в синтрофической ассоциации с двумя водородпотребляющими микробами: сульфатредуцирующими бактериями рода Halodesulfovibrio и метаногеном рода Methanogenium . . Организм MK-D1 производит водород в качестве побочного продукта метаболизма, который затем потребляется симбиотическими синтрофами . MK-D1 также, по-видимому, организует свою внешнюю мембрану в сложные структуры, используя общие с эукариотами гены. Хотя ассоциация с альфапротеобактериями (от которых, как полагают, произошли митохондрии) не наблюдалась, эти особенности позволяют предположить, что MK-D1 и его синтрофы могут представлять собой современный пример симбиоза архей и бактерий, подобного тому, который дал начало эукариотам.

В 2022 году было сообщено о втором культивированном образце Lokiarchaeota, и штамм был назван Candidatus Lokiarchaeum ossiferum . [24]

Физиологические особенности

Известно, что Lokiarachaeota имеет тетрагидрометаноптерин-зависимый путь Вуда-Люндаля . Этот путь содержит ряд биохимических реакций, способствующих утилизации неорганического углерода. Считается, что у Lokiarchaeota WLP является ацетогенным из-за отсутствия гена метил-КоМ-редуктазы, необходимого для метаногенеза. [2]

Анализ генов локиархей также показал экспрессию открытых рамок считывания (ORF), кодирующих белки, участвующих в метаболизме сахаров и белков. Однако эта метаболическая активность варьируется в зависимости от подгруппы Lokiarchaeota. Хотя подгруппы Lokiarchaeota имеют схожую генетическую информацию, различия в метаболических способностях объясняют их соответствующие экологические ниши. [25]

Две основные подгруппы типа Lokiarachaeota — это Локи-2 и Локи-3. Инкубации этих двух подгрупп из иловых отложений Гельголанда были проанализированы с помощью зондирования стабильных изотопов РНК и ДНК, чтобы понять их соответствующий углеродный метаболизм. [25] Было обнаружено, что Локи-3 активен как в утилизации органического углерода, так и в разложении ароматических соединений. В подгруппе Loki-3 не было обнаружено использования белков или короткоцепочечных жирных кислот, хотя гены деградации аминокислот присутствовали в обеих подгруппах. Было обнаружено, что Локи-2 использует белок, о чем свидетельствует активность, когда белки были предоставлены в инкубациях Локи-2. Из-за более широкого использования углерода Локи-3, эта подгруппа встречается в более разнообразных морских отложениях, чем Локи-2. [25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ↑ Ламберт, Джонатан (9 августа 2019 г.). «Ученые увидели странный микроб, который мог бы помочь объяснить возникновение сложной жизни — локиархея, ранее известная только по ДНК, изолирована и выращена в культуре». Природа . 572 (7769): 294. Бибкод :2019Natur.572..294L. дои : 10.1038/d41586-019-02430-w . ПМИД  31409927.
  2. ^ abcd Касерес, Ева Ф.; Льюис, Уильям Х.; Хома, Феликс; Мартин, Том; Шрамм, Андреас; Кьельдсен, Каспер У.; Эттема, Тейс Дж.Г. (18 декабря 2019 г.). «Почти полные геномы локиархейот из сложных образцов окружающей среды с использованием метагеномного анализа длинного и короткого чтения»: 2019.12.17.879148. дои : 10.1101/2019.12.17.879148. S2CID  213982145. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  3. ^ abcdefghijk Спанг, Аня; Пила, Джимми Х.; Йоргенсен, Штеффен Л.; Заремба-Недзведска, Катажина; Мартейн, Йоран; Линд, Андерс Э.; ван Эйк, Роэл; Шлепер, Криста; Гай, Лайонел; Эттема, Тийс Дж.Г. (2015). «Сложные археи, устраняющие разрыв между прокариотами и эукариотами». Природа . 521 (7551): 173–179. Бибкод : 2015Natur.521..173S. дои : 10.1038/nature14447. ISSN  0028-0836. ПМЦ 4444528 . ПМИД  25945739. 
  4. ^ Йоргенсен, Штеффен Лет; Ханнисдал, Бьярте; Ланцен, Андерс; Баумбергер, Тамара; Флесланд, Кристин; Фонсека, Рита; Овреас, Лиза; Стин, Ида Х; Торсет, Ингунн Х; Педерсен, Рольф Б; Шлепер, Криста (5 сентября 2012 г.). «Корреляция профилей микробных сообществ с геохимическими данными в сильно стратифицированных отложениях Арктического Срединно-океанического хребта». ПНАС . 109 (42): E2846–55. дои : 10.1073/pnas.1207574109 . ПМК 3479504 . ПМИД  23027979. 
  5. ^ Йоргенсен, Штеффен Лет; Торсет, Ингунн Х; Педерсен, Рольф Б; Баумбергер, Тамара; Шлепер, Криста (4 октября 2013 г.). «Количественное и филогенетическое изучение группы глубоководных архей в отложениях Арктического срединно-океанического спредингового хребта». Границы микробиологии . 4 : 299. дои : 10.3389/fmicb.2013.00299 . ПМК 3790079 . ПМИД  24109477. 
  6. ^ abcd Ринкон, Пол (6 мая 2015 г.). «Недавно обнаруженный микроб — близкий родственник сложной жизни». Би-би-си . Проверено 9 мая 2015 г.
  7. ^ аб Имачи, Хироюки; и другие. (15 января 2020 г.). «Изоляция археи на границе прокариот-эукариот». Природа . 577 (7791): 519–525. Бибкод : 2020Natur.577..519I. bioRxiv 10.1101/726976 . дои : 10.1038/s41586-019-1916-6 . ПМК 7015854 . ПМИД  31942073.  
  8. ^ фон Шнурбейн, Стефани (ноябрь 2000 г.). «Функция Локи в «Эдде» Снорри Стурлусона.". История религий . 40 (2): 109–124. doi : 10.1086/463618.
  9. ^ аб Гошдастидер У, Цзян С., Попп Д., Робинсон Р.К. (2015). «В поисках первичной актиновой нити». Proc Natl Acad Sci США . 112 (30): 9150–1. дои : 10.1073/pnas.1511568112 . ПМЦ 4522752 . ПМИД  26178194. 
  10. ↑ Хан, Амина (6 мая 2015 г.). «Знакомьтесь, Локи, ваш ближайший родственник прокариотов». Лос-Анджелес Таймс . Проверено 9 мая 2015 г.
  11. ^ abcd Насир, Аршан; Ким, Кён Мо; Каэтано-Аноллес, Густаво (01 августа 2015 г.). «Локиархеоты: недостающие звенья, подобные эукариотам, в микробной темной материи?». Тенденции в микробиологии . 23 (8): 448–450. дои : 10.1016/j.tim.2015.06.001. ISSN  0966-842X. ПМИД  26112912.
  12. ^ Дж. П. Эзеби. «Семейство: Lokiarchaeota, не отнесенное к семейству». Список названий прокариот, имеющих номенклатуру (LPSN) . Проверено 20 июня 2023 г.
  13. ^ Сэйерс; и другие. «Кандидат Локиархеота». База данных таксономии Национального центра биотехнологической информации (NCBI) . Проверено 20 июня 2023 г.
  14. ↑ Максимиллан, Людвиг (27 декабря 2019 г.). «Эволюция: откровенные отношения». Физика.орг . Проверено 28 декабря 2019 г.
  15. ^ Эмбли, Т. Мартин ; Мартин, Уильям (2006). «Эукариотическая эволюция, изменения и проблемы». Природа . 440 (7084): 623–630. Бибкод : 2006Natur.440..623E. дои : 10.1038/nature04546. ISSN  0028-0836. PMID  16572163. S2CID  4396543.
  16. ^ Лейк, Джеймс А. (1988). «Происхождение эукариотического ядра определяется с помощью скоростно-инвариантного анализа последовательностей рРНК». Природа . 331 (6152): 184–186. Бибкод : 1988Natur.331..184L. дои : 10.1038/331184a0. ISSN  0028-0836. PMID  3340165. S2CID  4368082.
  17. ^ Гай, Лайонел; Эттема, Тейс Дж.Г. (2011). «Архейный супертип TACK и происхождение эукариот». Тенденции в микробиологии . 19 (12): 580–587. дои : 10.1016/j.tim.2011.09.002. ISSN  0966-842X. ПМИД  22018741.
  18. ^ Ван, Минглей; Яфремава Людмила С.; Каэтано-Аноллес, Дерек; Миттенталь, Джей Э.; Каэтано-Аноллес, Густаво (2007). «Редуктивная эволюция архитектурного репертуара в протеомах и рождение трехчастного мира». Геномные исследования . 17 (11): 1572–1585. дои : 10.1101/гр.6454307. ПМК 2045140 . ПМИД  17908824. 
  19. ^ Хан, Юрген; Хауг, Пэт (1986). «Следы архебактерий в древних отложениях». Систематическая и прикладная микробиология . 7 (Труды Архебактерий '85): 178–83. дои : 10.1016/S0723-2020(86)80002-9.
  20. ^ Нолл, Эндрю Х.; Яво, Э.Дж.; Хьюитт, Д.; Коэн, П. (29 июня 2006 г.). «Эукариотические организмы в протерозойских океанах». Философские труды Королевского общества Б. 361 (1470): 1023–38. дои : 10.1098/rstb.2006.1843. ПМЦ 1578724 . ПМИД  16754612. 
  21. ↑ Циммер, Карл (6 мая 2015 г.). «Под водой — недостающее звено в эволюции сложных клеток». Газета "Нью-Йорк Таймс . Проверено 8 мая 2015 г.
  22. ^ Тиммер, Джон (07 августа 2019 г.). «Наконец-то нам удалось взглянуть на микроб, который мог быть нашим предком». Арс Техника . Проверено 8 августа 2019 г.
  23. ^ Циммер, Карл (15 января 2020 г.). «Этот странный микроб может стать одним из великих скачков в жизни». Нью-Йорк Таймс . Проверено 15 января 2020 г.
  24. ^ Родригес-Оливейра, Тьяго; Волвебер, Флориан; Понсе-Толедо, Рафаэль И.; Сюй, Цзинвэй; Риттманн, Саймон К.-МР; Клингль, Андреас; Пилхофер, Мартин; Шлепер, Криста (январь 2023 г.). «Актиновый цитоскелет и сложная клеточная архитектура у архея Асгарда». Природа . 613 (7943): 332–339. дои : 10.1038/s41586-022-05550-y. ISSN  1476-4687. ПМЦ 9834061 . ПМИД  36544020. 
  25. ^ abc Инь, Сюран; Цай, Минвэй; Лю, Ян; Чжоу, Говей; Рихтер-Хайтманн, Тим; Аромокай, Дэвид А.; Кулкарни, Аджинкья К.; Нимзик, Рольф; Калхед, Хенрик; Чжоу, Чжичао; Пан, Цзе (март 2021 г.). «Различия физиологической активности морских локиархей на уровне подгрупп». Журнал ISME . 15 (3): 848–861. дои : 10.1038/s41396-020-00818-5. ISSN  1751-7370. ПМК 8027215 . ПМИД  33149207. 

Внешние ссылки