Im zwanzigsten Jahrhundert stellte die Molekularbiologie fest, dass alle lebenden Organismen dieselben informationstragenden Makromoleküle (DNA, RNA und Proteine) und denselben genetischen Code zur Übertragung von Informationen zwischen diesen Molekülen besitzen. Diese Einheit der lebenden Welt deutet auf einen gemeinsamen Ursprung hin, auf einen Vorfahren, der all diese Merkmale besaß. In Anlehnung an Lucy wurde dieser gemeinsame Vorfahre auf einem internationalen Symposium, das 1996 in Frankreich von der Fondation des Treilles organisiert wurde, als LUCA (Akronym für Last Universal Common Ancestor) bezeichnet. Anhand von Daten aus der vergleichenden Genomik, einer damals aufkommenden Disziplin, die auf der Sequenzierung von Organismen aus den drei Bereichen der lebenden Welt (Archaeen, Bakterien und Eukaryoten) beruht, machte sich diese Forschungsgemeinschaft daran, die Merkmale von LUCA zu rekonstruieren. Im vergangenen Jahr fand in der Fondation des Treilles ein neues Forum statt, um den zwanzigsten Jahrestag der Namensgebung von LUCA zu feiern, die seit 1996 gesammelten Daten zu überprüfen und eine erste Skizze dieses Vorfahren zu entwerfen.
Doch ein häufiges Missverständnis sollte zunächst ausgeräumt werden: LUCA, das vor über drei Milliarden Jahren lebte, war nicht die erste Zelle, die auf unserem Planeten auftauchte. Die vergleichende Genomik hat die Existenz von drei RNA-Molekülen und 34 ribosomalen1 Proteinen nachgewiesen, die allen lebenden Organismen und somit auch LUCA gemeinsam sind. Angesichts ihrer Komplexität können diese Moleküle erst nach einer langen Evolutionsphase entstanden sein. LUCA muss sich also den Planeten mit vielen anderen Organismen aus der gleichen Zeitspanne geteilt haben. Seine Zeitgenossen haben jedoch keine Nachkommen hinterlassen, was nicht heißt, dass sie nicht bestimmte Gene an uns weitergegeben haben, so wie es die Denisovaner und Neandertaler mit unseren Homo-sapiens-Vorfahren getan haben. Eine Parallele lässt sich auch zwischen LUCA und der afrikanischen Eva ziehen, der letzten gemeinsamen Mutter aller modernen Frauen: Eva war weder die erste Frau des Homo sapiens, noch lebte sie damals allein in Afrika.
Zwei Äste, derselbe Baum
Die vergleichende Genomik der Ribosomen hat auch gezeigt, dass moderne Ribosomen neben den 34 universellen Proteinen eine große Zahl von Proteinen enthalten, die nur bei Bakterien, Archaeen und/oder Eukaryoten vorkommen. Eines ihrer bemerkenswerten Merkmale ist, dass sie entweder spezifisch für eine der drei Domänen sind oder von Archaeen und Eukaryoten gemeinsam genutzt werden. Im Laufe der Evolution wurden diese Proteine also in zwei getrennten Linien erworben: die eine führte von LUCA zu den Bakterien, die andere von LUCA zu den Archaeen und Eukaryoten.
LUCA’s ribosomes were therefore less complex than modern ones, with around half the number of proteins. Im Großen und Ganzen hat der Vergleich molekularer Mechanismen in Archaeen und Bakterien gezeigt, dass diese Prozesse in jedem Fall in LUCA wesentlich einfacher gewesen sein müssen als in modernen Zellen und dass die zunehmende Komplexität unabhängig voneinander in Bakterien einerseits und in Archaeen und Eukaryoten andererseits auftrat.
LUCA fehlten wahrscheinlich die hochentwickelten molekularen Komplexe, die in modernen Organismen zu finden sind und die ihnen beispielsweise eine sehr effiziente Energieproduktion ermöglichen. Ebenso bestand sein Genom wahrscheinlich noch aus RNA, und es ist möglich, dass die DNA und ihre Replikationsmechanismen zweimal unabhängig voneinander auftraten, vielleicht aus sehr alten viralen Linien. Das Vorhandensein von Viren zur Zeit von LUCA wird heute durch die Existenz großer Virenfamilien belegt, deren Mitglieder entweder Bakterien, Archaeen oder Eukaryoten infizieren.
Ein kalter (oder lauwarmer) Vorfahre
Die Entdeckung von Archaeen, die bei sehr hohen Temperaturen leben, ließ zunächst vermuten, dass LUCA selbst ein Hyperthermophiler warFermerHyperthermophile sind Archaeen, deren optimale Wachstumstemperatur bei 80°C oder darüber liegt (definiert von dem deutschen Mikrobiologen Karl Stetter, der die meisten dieser Mikroorganismen als Erster beschrieb). Die Rekonstruktion einiger ihrer Vorgängersequenzen durch ein CNRS-Team in Lyon unter der Leitung von Manolo Gouy2 zeigte, dass dies wahrscheinlich nicht der Fall war. Die Arbeit desselben Teams zeigt jedoch, dass die Vorfahren sowohl der Bakterien als auch der Archaeen bei hohen Temperaturen lebten. Wie konnte sich dann ein kalter (oder lauwarmer) LUCA zu den heißen Vorfahren der Bakterien und Archaeen entwickeln? Ich habe die Idee vorgebracht, dass sich Organismen in beiden Bereichen durch Anpassung an immer höhere Temperaturen zu ihren heutigen Formen entwickelt haben könnten. Dieser Wandel könnte daher eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der uns heute bekannten Lebenswelt gespielt haben.
We have yet to understand the emergence of eukaryotes, organisms whose cells—unlike archaea and bacteria—have a nucleus and organelles such as mitochondria (responsible for respiration) and chloroplasts (responsible for photosynthesis). Eine weit verbreitete Hypothese besagt, dass Eukaryoten von einem Archaeen abstammen, der sich durch Endosymbiose das Bakterium einverleibt hat, aus dem die Mitochondrien hervorgegangen sind. Im Jahr 2015 gab ein schwedisches Team die Entdeckung von Lokiarchaeota bekannt, die das fehlende Bindeglied zwischen Archaeen und Eukaryonten sein könnten. Die Arbeit unseres Teams hat jedoch gezeigt, dass diese Schlussfolgerung durch mehrere methodische Artefakte verfälscht wurde. Wir bevorzugen die Theorie, dass die Eukaryoten nicht direkt von den Archaeen abstammen, sondern einen gemeinsamen Vorfahren mit ihnen haben. Bestimmte Merkmale der Eukaryoten könnten also bereits in LUCA vorhanden gewesen sein und später in Archaeen und Bakterien verloren gegangen sein.
Ohne eine Zeitmaschine wird die Erstellung eines Porträts von LUCA und die Bestimmung der Form des universellen Stammbaums des Lebens noch lange umstritten bleiben. Der stetige Fluss neuer Daten aus der vergleichenden Genomik grenzt jedoch die möglichen Szenarien immer weiter ein. Watch this space!
Die Analysen, Ansichten und Meinungen, die in diesem Abschnitt geäußert werden, sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Position oder Politik des CNRS wider.
- 1. Ribosomen sind sehr komplexe Zellbestandteile, die Proteine unter Verwendung von Informationen synthetisieren, die von RNA oder DNA getragen werden.
- 2. Laboratoire de biométrie et biologie évolutive (CNRS / Univ. Claude-Bernard / VetAgro Sup / Hospices civils de Lyon / Inria).