In de twintigste eeuw heeft de moleculaire biologie vastgesteld dat alle levende organismen dezelfde informatiedragende macromoleculen (DNA, RNA en eiwitten) delen, en dezelfde genetische code om informatie tussen deze moleculen over te dragen. Deze eenheid van de levende wereld wijst op een gemeenschappelijke oorsprong, een voorouder die al deze kenmerken bezat. Als knipoog naar Lucy kreeg de gemeenschappelijke voorouder de naam LUCA (een acroniem voor Last Universal Common Ancestor) tijdens een internationaal symposium dat in 1996 in Frankrijk werd georganiseerd door de Fondation des Treilles. Met behulp van gegevens uit de vergelijkende genomica, een toen opkomende discipline die gebaseerd is op de sequentiebepaling van organismen uit de drie domeinen van de levende wereld (archaea, bacteriën en eukaryoten), heeft deze onderzoeksgemeenschap zich tot doel gesteld de kenmerken van LUCA te reconstrueren. Vorig jaar werd in de Fondation des Treilles een nieuw forum gehouden om de twintigste verjaardag van de naamgeving van LUCA te vieren, de sinds 1996 verzamelde gegevens te evalueren en een eerste schets te geven van deze voorouder.
Er moet echter eerst een veel voorkomend misverstand uit de weg worden geruimd: LUCA, die meer dan drie miljard jaar geleden leefde, was niet de eerste cel die op onze planeet verscheen. Vergelijkende genomica heeft het bestaan aangetoond van drie RNA-moleculen en 34 ribosomale1 eiwitten die alle levende organismen en dus ook LUCA gemeen hebben. Gezien hun complexiteit kunnen deze moleculen pas na een lange evolutieperiode zijn ontstaan. LUCA moet dus de planeet gedeeld hebben met vele andere organismen die uit dezelfde tijdspanne zijn voortgekomen. Zijn tijdgenoten hebben echter geen nakomelingen nagelaten, wat niet wil zeggen dat zij bepaalde genen niet aan ons hebben doorgegeven, net zoals de Denisovans en de Neanderthalers dat hebben gedaan met onze voorouders, de Homo sapiens. Er kan ook een parallel worden getrokken tussen LUCA en de Afrikaanse Eva, de laatste moeder die alle moderne vrouwen gemeen hebben: Eva was ook niet de eerste vrouw van de Homo sapiens, en zij leefde toen ook niet alleen in Afrika.
Twee takken, dezelfde boom
Comparative genomics in ribosomen heeft ook aan het licht gebracht dat, naast de 34 universele eiwitten, moderne ribosomen een groot aantal eiwitten bevatten die uniek zijn voor bacteriën, archaea, en/of eukaryoten. Een van hun opmerkelijke kenmerken is dat zij ofwel specifiek zijn voor een van de drie domeinen, ofwel gedeeld worden door archaea en eukaryoten. In de loop van de evolutie zijn deze eiwitten dus in twee afzonderlijke lijnen verworven: de ene leidt van LUCA naar de bacteriën, en de andere van LUCA naar de archaea en eukaryoten.
LUCA’s ribosomes were therefore less complex than modern ones, with around half the number of proteins. In het algemeen heeft een vergelijking van de moleculaire mechanismen in archaea en bacteriën aangetoond dat deze processen in LUCA steeds aanzienlijk eenvoudiger moeten zijn geweest dan in moderne cellen, en dat de toenemende complexiteit zich onafhankelijk van elkaar heeft voorgedaan in bacteriën enerzijds en in archaea en eukaryoten anderzijds.
LUCA had waarschijnlijk niet de ultrageavanceerde moleculaire complexen die in moderne organismen worden aangetroffen en die hen bijvoorbeeld in staat stellen zeer efficiënt energie te produceren. Evenzo bestond zijn genoom waarschijnlijk nog uit RNA, en het is mogelijk dat DNA en zijn replicatiemechanismen twee keer onafhankelijk zijn verschenen, misschien van zeer oude virale lijnen. De aanwezigheid van virussen in de tijd van LUCA wordt vandaag aangetoond door het bestaan van grote virusfamilies waarvan de leden hetzij bacteriën, hetzij archaea, hetzij eukaryoten infecteren.
Een koude (of lauwe) voorouder
De ontdekking van archaea die bij zeer hoge temperaturen leven, suggereerde aanvankelijk dat LUCA zelf een hyperthermofiel wasFermerHyperthermofielen zijn archaea waarvan de optimale groeitemperatuur gelijk is aan of hoger is dan 80°C (gedefinieerd door de Duitse microbioloog Karl Stetter, die de meeste van deze micro-organismen als eerste heeft beschreven). De reconstructie van enkele van de voorouderlijke sequenties door een CNRS-team uit Lyon onder leiding van Manolo Gouy2 heeft aangetoond dat dit waarschijnlijk niet het geval was. Het werk van hetzelfde team toont echter aan dat de voorouders van zowel bacteriën als archaea bij hoge temperaturen leefden. Hoe kan dan een koude (of lauwe) LUCA zijn geëvolueerd tot de warme voorouders van bacteriën en archaea? Ik heb het idee geopperd dat organismen in beide domeinen zich tot hun huidige vormen kunnen hebben ontwikkeld door zich aan te passen aan steeds hogere temperaturen. Deze verschuiving zou dus een cruciale rol kunnen hebben gespeeld bij de vorming van de levende wereld die we nu kennen.
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). Een populaire hypothese stelt dat eukaryoten afstammen van een archaea die, via endosymbiose, de bacterie assimileerde waarvan de mitochondriën zijn afgeleid. In 2015 kondigde een team uit Zweden de ontdekking aan van Lokiarchaeota, die de ontbrekende schakel zouden kunnen zijn tussen archaea en eukaryoten. Uit het werk van ons team is echter gebleken dat deze conclusie vertekend werd door verschillende methodologische artefacten. Wij geven de voorkeur aan de theorie dat eukaryoten niet rechtstreeks van archaea afstammen, maar een gemeenschappelijke voorouder met hen delen. Bepaalde kenmerken van eukaryoten kunnen dus al in LUCA hebben bestaan en vervolgens in archaea en bacteriën verloren zijn gegaan.
Zonder een tijdmachine zullen het schetsen van een portret van LUCA en het bepalen van de vorm van de universele levensboom nog lang controversiële kwesties blijven. Maar door de gestage stroom van nieuwe gegevens uit de vergelijkende genomica worden de mogelijke scenario’s steeds kleiner.
De analyse, standpunten en meningen in dit artikel zijn die van de auteurs en weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs het standpunt of beleid van het CNRS.
- 1. Ribosomen zijn zeer complexe celbestanddelen, die eiwitten synthetiseren met behulp van informatie die door RNA of DNA wordt overgebracht.
- 2. Laboratoire de biométrie et biologie évolutive (CNRS / Univ. Claude-Bernard / VetAgro Sup / Hospices civils de Lyon / Inria).