Вольбахия и проблема происхождения эукариот

Марков А. В.

Дополнение 2 в обзору 28

Вольбахия и проблема происхождения эукариот.

Хорошо ли, когда хвост виляет собакой?

Вольбахия в клетке муравья. B - бактерия вольбахия, m - митохондрии. Фото с сайта http://www.cybersciences.com/cyber/3.0/N2208.asp

Вольбахия относится к той же группе бактерий (альфа-протеобактериям), что и предки митохондрий (см. наш обзор по происхождению эукариот). Поэтому, принимаясь за изучение вольбахии, автор сайта надеялся, что система взаимоотношений вольбахии и ее хозяев сможет послужить модельным объектом для реконструкции каких-то аспектов становления эукариотической клетки. Для этого нужно было найти сходство в системах взаимодействия нуклеоцитоплазмы с митохондриями с одной стороны и с вольбахиями - с другой.

Однако это оказалось не так-то просто. Различий выявилось гораздо больше, чем сходных черт. Более того, взаимодействие клетки с митохондриями во многом представляет собой полную противоположность ее взаимодействию с вольбахией.

1. Оболочка

Важнейшую роль во взаимоотношениях эндосимбионта с эукариотической клеткой играет его наружная оболочка - полупроницаемая разграничительная прослойка, от свойств которой зависит происходящий между двумя организмами обмен веществом и информацией.

Вольбахии, живущие в цитоплазме хозяина, окружены двойной мебраной - так же, как и митохондрии. Внутренняя мембрана "принадлежит" самой вольбахии, наружная является продуктом клетки хозяина. Предполагается, что двойная мембрана митохондрий имеет такое же "двойное" происхождение.

Свободноживущие грамотрицательные бактерии (к которым относятся альфа-протеобактерии) обычно имеют сложную оболочку (клеточную стенку), состоящую из трех слоев: внутренней цитоплазматической мембраны, периплазматического пространства, содержащего пептидогликан, и наружной мембраны, отличающейся по своему строению от цитоплазматической и содержащей липополисахариды. Предки митохондрий, став облигатными симбионтами древних эукариот, утратили все наружные слои своей оболочки, сохранив только цитоплазматическую мембрану, а нуклеоцитоплазма образовала наружную мембрану новоприобретенных органелл.

Вольбахии и их предки являются облигатными внутриклеточными симбионтами или паразитами уже в течение сотен миллионов лет, и за это время они утратили многие гены, необходимые для синтеза нормальной клеточной стенки. В частности, практически полностью утрачена система синтеза липополисахаридов. Предполагается, что эта система перестала функционировать еще у общего предка вольбахии и ее ближайших родственников - внутриклеточных альфапротеобактерий эрлихии и анаплазмы (Wu et al. 2004). Вместо собственной наружной мембраны, для образования которой необходимы липополисахариды, эти бактерии "пользуются" наружной мембраной, предоставляемой им хозяином.

Однако, в отличие от митохондрий, у вольбахии сохраняется средний слой клеточной стенки, содержащий пептидогликан. В ее геноме присутствуют гены, участвующие в метаболизме компонентов этого слоя (D-аланин-D-аланин лигаза, D-аланил-D-аланин карбоксипептидаза, УДФ-N-ацетилмурамат-аланин лигаза, N-ацетилмурамоил-L-аланин амидаза, фосфо-N-ацетилмурамоил-пентапептид трансфераза и др.). Таким образом, заметного сходства в строении среднего слоя оболочки вольбахии с периплазматическим пространством митохондрий не наблюдается.

2. Обмен веществ

Будучи аэробной бактерией, очень близкой по строению базовых систем энергетического метаболизма к митохондриям, вольбахия, казалось бы, могла стать не менее полезным симбионтом, дополняя энергетический обмен нуклеоцитоплазмы хозяина по комплементарному принципу. Этого, однако, не наблюдается. Метаболизм вольбахии в целом организован таким образом, чтобы причинять хозяину наименьший вред, но и видимой метаболитической "пользы" эта внутриклеточная бактерия не приносит.

Главная функция митохондрий, если говорить упрощенно, состоит в синтезе АТФ за счет кислородного окисления пирувата - конечного продукта идущего в цитоплазме гликолиза. Произведенная митохондриями АТФ транспортируется в цитоплазму.

Родственники митохондрий и вольбахий, риккетсии, выкачивают АТФ из цитоплазмы хозяина в обмен на АДФ при помощи белков семейства TLC (Andersson et al., 1998). Риккетсии, таким образом, ведут себя как настоящие "энергетические вампиры" и представляют в этом отношении прямую противоположность митохондриям. В геноме вольбахии не обнаружены гены, ответственные за такой, с позволения сказать, мембранный транспорт АТФ. Вольбахия, по-видимому, ведет себя более скромно и причиняет меньший ущерб хозяину, ограничиваясь выкачиванием из его цитоплазмы некоторых аминокислот и углеводов. Однако и энергией в виде АТФ она своего хозяина , разумеется, не снабжает.

Схема метаболизма и транспорта Wolbachia pipientis wMel (из статьи Wu et al. (2004))

Хотя метаболизм углеводов у вольбахии в целом ограничен, у нее все же присутствует необходимый минимальный "комплект" белков, обеспечивающих полный цикл катаболизма углеводов (гексоз) с целью получения энергии. Гексозы (глюкоза, фруктоза) транспортируются из цитоплазмы хозяина. В "комплект" входят:

1) мембранный белок, обеспечивающий сопряженный с фосфорилированием транспорт гексоз в клетку;

2) гликолиз, начинающийся с фруктозо-1,6-дифосфата;

5) дыхательная электроннотранспортная цепь окислительного фосфорилирования.

Наличие собственных генов гликолиза отличает вольбахию от митохондрий и риккетсий (Andersson et al., 1998) и показывает, что она еще в меньшей степени, чем риккетсия, "комплементарна" нуклеоцитоплазме с точки зрения метаболизма. Вместе с тем она потенциально менее вредна, поскольку. перехватывает метаболиты у хозяина на более ранних этапах их биохимической "обработки" и берет на себя не только самые энергетически выгодные (аэробные) этапы катаболизма углеводов, но и менее выгодные анаэробные.

Большое число транспортеров аминокислот позволяет предположить, что вольбахии получают из них значительную часть энергии; кроме того, это позволяет вольбахии обходиться без многих ферментов аминокислотного метаболизма. Та же черта - наличие аминокислотных транспортеров и крайне неполный набор ферментов аминокислотного метаболизма - характерна и для реконструированной "протомитохондрии" - гипотетического предка митохондрий (Gabaldón, Huynen, 2003), и для риккетсий.

Схема метаболизма и транспорта "протомитохондрии". Из Gabaldón, Huynen, 2003. (Deduced from the orthologous groups present in its estimated proteome. Yellow boxes indicate the number of groups in that COG functional class. Boxes, arrows, and cylinders indicate pathways, enzymes, and transporters, respectively. Blue: proteins are mitochondrial in yeast or human. Orange: human and yeast orthologs have not been observed in mitochondria. Black: there is no human or yeast representative of this orthologous group.)

Помимо гликолиза, вольбахия располагает еще несколькими метаболическими путями, отсутствующими у риккетсии (в том числе синтез нуклеотид-монофосфатов, рибофлавина, деградация треонина, метаболизм пиримидинов и др.). Возможно, несколько большая биохимическая самодостаточность вольбахии по сравнению с риккетсией является одной из предпосылок большей эволюционной пластичности в смысле выработки различных средств воздействия на хозяина.

Предок митохондрий, по-видимому, как и вольбахия, обладал целым рядом метаболических путей, не связанных напрямую с синтезом АТФ (например, метаболизм фруктозы и маннозы, синтез липидов, нуклеотидов и витаминов). Многие из этих генов митохондриального происхождения перешли в ядерный геном, и соответствующие ферменты и метаболические пути стали функционировать в других частях эукариотической клетки (Gabaldón, Huynen, 2003). Вольбахия, напротив, оставила все подобные метаболические системы "при себе". Явных следов крупномасштабного переноса ее генов в геном хозяина не обнаружено.

3. Регуляция

Эукариотическая клетка имеет целый ряд эффективных средств для регуляции деятельности митохондрий. В частности, сигналы передаются в митохондрию при помощи ионов Ca²⁺. Сигнальная роль ионов кальция в нуклеоцитоплазме обычно опосредуется специальными белками - кальмодулинами; в митохондриях ионы кальция действуют непосредственно на ферменты без посредничества других белков. Регуляция митохондрий осуществляется также при помощи цАМФ, которая действует через протеинкиназу А, или путем связывания с рецепторным белком внешней стороны внутренней мембраны митохондрии. Есть данные о регуляции функций митохондрий цГМФ и протеинкиназами C (Кулинский, 1997).

Ни одно из этих средств клетка хозяина не может использовать для регуляции деятельности вольбахии из-за отсутствия у последней соответствующих рецепторов, протеинкиназ и ионных каналов (у вольбахии нет мембранных каналов для транспорта ионов кальция, протеинкиназ А, рецепторов цАМФ и т.д.).

Самое главное средство, обеспечивающее нуклеоцитоплазме полный контроль над деятельностью митохондрий, несомненно, основано на том, что большая часть митохондриального протеома кодируется ядерными генами. Большинство из них имеют альфа-протеобактериальное происхождение и изначально находились в хромосоме предка митохондрий, но впоследствии были перенесены в ядерный геном. Экспрессия этих генов и последующая доставка соответствующих белков в митохондрии, естественно, находится под контролем ядерно-цитоплазматических сигнальных, регуляторных и транспортных систем.

Как говорилось выше, заметных следов переноса генов вольбахии wMel в ядерный геном хозяина не обнаружено. Следовательно, и это мощное средство воздействия не может использоваться клеткой в отношении паразитической бактерии.

Что ж, если средства управления митохондриями неприменимы к вольбахии, возможно, хозяин может регулировать ее жизнедеятельность какими-то иными способами, воздействуя на сигнально-регуляторные системы паразита? Однако и этот путь для хозяев вольбахии практически закрыт, поскольку вольбахия отличается почти полной редукцией сигнально-регуляторных систем.

У нее обнаружено только три гена, связанных с приемом и передачей сигналов (WD1216, WD1284, WD0221) и всего шесть предположительных регуляторов транскрипции (WD0453, WD0139, WD0140, WD0732, WD1064, WD1298). Скудный набор регуляторов отмечен и у других эндосимбионтов и объясняется обычно постоянством условий их обитания, что делает адаптивные модификации необязательными для выживания (Wu et al. 2004 ; Andersson et al. 1998; Read et al. 2000; Shigenobu et al. 2000; Moran and Mira 2001; Akman et al. 2002; Seshadri et al. 2003).

Нам представляется, что указанная причина может быть не единственной. Редукция сигнально-регуляторных систем делает внутриклеточных бактерий более независимыми от всевозможных сигналов, поступающих извне, то есть от хозяина, и сильно снижает вероятность того, что хозяин сумеет выработать какие-то способы управления симбионтом. Вольбахия фактически управляет репродукцией, развитием и даже эволюцией своих хозяев, и делает это так, как выгодно ей. Для этого она использует разнообразные и сложные сигнально-регуляторные системы эукариотической клетки, которые предоставляют ей множество потенциальных "зацепок" - точек приложения регулирующих агентов. У самой вольбахии таких точек приложения практически нет.

Вольбахия как "антимодельный" объект для реконструкции происхождения эукариот

Таким образом, взаимоотношения клетки с митохондриями и вольбахией во многих отношениях представляют полную противоположность. Возникает вопрос: почему столь близкородственные виды микроорганизмов, как вольбахия и предок митохондрий, построили свои взаимоотношения с эукариотической нуклеоцитоплазмой на столь разных принципах? Или, более конкретно, почему митохондрия полностью "подчинилась" нуклеоцитоплазме, тогда как вольбахия, напротив, во многом сама контролирует ее функционирование?

Нам представляется, что ключом к этой загадке является тот факт, что большинство генов протомитохондрии были перенесены в ядерный геном на ранних этапах "эукариотизации", тогда как гены вольбахии в геном хозяина, по-видимому, практически не переносились. Включение митохондриальных генов в ядерный геном, интеграция их в ядерно-цитоплазматические генные сети и сигнально-регуляторные системы исключили всякую возможность "эгоистической" эволюции митохондрий. Вольбахия, напротив, сохранила достаточно высокий уровень самостоятельности не только в отношении экспрессии собственных генов, но и на метаболическом уровне. Это позволяет ей не только совершать время от времени "горизонтальные" переходы между разными видами хозяев, но и быстро эволюционировать "эгоистическим" образом, вырабатывая различные новые способы управления своими хозяевами, порой далеко не безболезненные для последних.

Согласно нашим представлениям о происхождении эукариот (Марков, Куликов, 2005), в эволюции предка нуклеоцитоплазмы был период активной инкорпорации чужеродного генетического материала. Нами обосновано предположение, что предком нуклеоцитоплазмы была архебактерия (возможно, метаногенная), которая в условиях кризиса, вызванного ростом концентрации кислорода, приобрела способность быстро и эффективно инкорпорировать в свой геном ДНК неродственных видов микроорганизмов. Эта архебактерия заимствовала гены и генные комплексы у разных бактерий, в первую очередь - анаэробных и микроаэрофильных бродильщиков. В итоге сформировался химерный микроорганизм с "архейными" системами репликации, транскрипции, трансляции и "базовой" регуляторикой, и с "бактериальным" метаболизмом и периферическими сигнально-регуляторными системами. Этот микроорганизм в дальнейшем приобрел эндосимбионтов - аэробных альфа-протеобактерий, ставших митохондриями.

Включение генов протомитохондрий в центральный (ядерный) геном, согласно этой теории, могло начаться даже раньше, чем сложилась эндосимбиотическая система, то есть в тот период, когда предок нуклеоцитоплазмы и протомитохондрии существовали еще порознь, но в тесном контакте в пределах одного и того же микробного сообщества. В этот период происходила взаимная "подгонка" метаболизма и сигнально-регуляторных систем этих двух микробов, готовившая почву для последующего их объединения в единый организм. После этого объединения перенос митохондриальных генов в центральный геном продолжался.

Вместе с тем существование такого гипотетического организма не могло быть ни долгим, ни стабильным. Благодаря эндосимбиозу с аэробной бактерией первичная причина перехода к такой стратегии была устранена и "кислородный" кризис в целом разрешен. После этого эукариоты, по-видимому, довольно быстро выработали мощные системы защиты от латерального переноса, вместо которого развились более сложные и при этом хорошо контролируемые средства рекомбинации, связанные с половым процессом (механизмы мейоза, слияния гамет, межвидовой репродуктивной изоляции).

"Запрет" горизонтального переноса, особенно сильно выраженный у Metazoa (к коим относятся все хозяева вольбахии), привел к тому, что новооприобретенные эндосимбионты, даже очень похожие на предков митохондрий, уже не могли (даже если бы захотели) "передать" свои гены в центральный геном, отдав их тем самым под контроль нуклеоцитоплазмы. Точнее, сама нуклеоцитоплазма не могла их принять.

В результате новые эндосимбионты (и эндопаразиты) сохраняют не только относительную самостоятельность, но и способность к "эгоистической" эволюции. Хуже того: поскольку у прокариот нет столь жестких ограничений латерального переноса, эти новые обитатели эукариотической клетки имеют возможность включить в свой геном и затем использовать в своих корыстных целях разнообразные регуляторные гены своих хозяев. Именно таким образом, по-видимому, внутриклеточные бактерии обзавелись анкириновыми белками - чисто эукариотическими регуляторами цитоскелета, митоза и других важных функций (вплоть до апоптоза).

В итоге сложилась ситуация, зеркально противоположная той, которая имела место при становлении эндосимбиоза с протомитохондриями.

Приведенные рассуждения, возможно, помогут лучше понять общие принципы эволюции симбиотических систем и систем "паразит-хозяин". По-видимому, в таких системах всегда имеет место определенное "взаимопроникновение" организмов, выражающееся самыми разными способами и проявляющееся на различных уровнях (генетическом, биохимическом, физиологическом, морфологическом, поведенческом). Каждый из двух компонентов такой системы приобретает те или иные черты другого (например, цветы энтомофильных растений часто похожи на тех или иных насекомых), либо некие комплементарные свойства, которые тоже можно рассматривать как своего рода "отпечаток" или импринтинг второго компонента. Возможно, ведущая роль как в физиологическом, так и эволюционном плане будет принадлежать тому из двух компонентов системы, который в большей степени сумеет "отразить" в своем строении, или каким-то образом "вобрать" в себя те или иные признаки (или, например, гены) второго компонента. Более перспективным в эволюционном отношении представляется тот вариант, когда ведущая роль достается более высокоорганизованному компоненту системы, т.к. способность к прогрессивной эволюции растет по мере повышения уровня организации. Если же, как в случае с вольбахией и ее хозяевами, главным становится более примитивный организм, такая система едва ли будет способствовать общему прогрессу своих составляющих.

© А.В.Марков, А.М.Куликов, И.А.Захаров-Гезехус, 2004. Настоящая страничка (включая все подразделы) является официальной электронной публикацией. Приведенные в ней оригинальные идеи и факты, к настоящему времени не опубликованные в печатных изданиях, охраняются законами об авторском праве. При цитировании, перепечатке или ином использовании материалов данной публикации ссылка на источник обязательна.

Проблемы Эволюции