LUCA, nasz wspólny przodek

W dwudziestym wieku biologia molekularna ustaliła, że wszystkie żywe organizmy mają te same makromolekuły przenoszące informacje (DNA, RNA i białka) oraz ten sam kod genetyczny do przekazywania informacji między tymi molekułami. Ta jedność świata żywego wskazuje na wspólne pochodzenie, na przodka, który posiadał wszystkie te cechy. Jako ukłon w stronę Lucy, wspólny przodek został nazwany LUCA (akronim od Last Universal Common Ancestor) podczas międzynarodowego sympozjum zorganizowanego we Francji przez Fondation des Treilles w 1996 roku. Wykorzystując dane z genomiki porównawczej, rodzącej się wówczas dyscypliny opartej na sekwencjonowaniu organizmów należących do trzech domen świata żywego (archaea, bakterie i eukarionty), ta społeczność badawcza podjęła się rekonstrukcji cech LUCA. W zeszłym roku w Fondation des Treilles odbyło się nowe forum, na którym uczczono dwudziestą rocznicę nadania nazwy LUCA, dokonano przeglądu danych zebranych od 1996 roku i nakreślono wstępny zarys tego przodka.

Na początek należy wyjaśnić częste nieporozumienie: LUCA, która żyła ponad trzy miliardy lat temu, nie była pierwszą komórką, która pojawiła się na naszej planecie. Genomika porównawcza wykazała istnienie trzech cząsteczek RNA i 34 białek rybosomalnych1 wspólnych dla wszystkich żywych organizmów, a więc także dla LUCA. Biorąc pod uwagę ich złożoność, cząsteczki te mogły się pojawić dopiero po długim okresie ewolucji. LUCA musiała więc dzielić planetę z wieloma innymi organizmami powstałymi w tym samym czasie. Jednak jej współcześni nie pozostawili po sobie potomków, co nie znaczy, że nie przekazali nam pewnych genów, podobnie jak Denisowianie i Neandertalczycy naszym przodkom Homo sapiens. Można również dokonać analogii pomiędzy LUCA a afrykańską Ewą, ostatnią matką wspólną dla wszystkich współczesnych kobiet: Ewa nie była pierwszą kobietą Homo sapiens, ani też nie żyła samotnie w Afryce w tym czasie.

Dwie gałęzie, to samo drzewo

Genomika porównawcza rybosomów ujawniła również, że oprócz 34 uniwersalnych białek, współczesne rybosomy zawierają dużą liczbę białek unikalnych dla bakterii, archaidów i/lub eukariotów. Jedną z ich niezwykłych cech jest to, że są one albo specyficzne dla jednej z trzech domen, albo wspólne dla archaii i eukariotów. W toku ewolucji białka te zostały więc nabyte w dwóch odrębnych liniach: jednej prowadzącej od LUCA do bakterii, a drugiej od LUCA do archaidów i eukariontów.

Powszechna hipoteza głosi, że LUCA dała początek trzem wielkim dziedzinom życia, poprzez dwie gałęzie.

A widespread hypothesis is that LUCA gave birth to the three great domains of life, via two branches.

C; SCHMITT, J.-M. PANAUD/INSTITUT PASTEUR; T. BASTA/INSTITUT PASTEUR; A.DUCHON/CNRS PHOTOTHEQUE

C; SCHMITT, J.-M. PANAUD/INSTITUT PASTEUR; T. BASTA/INSTITUT PASTEUR; A.DUCHON/CNRS PHOTOTHEQUE

Share

Share

LUCA’s ribosomes were therefore less complex than modern ones, with around half the number of proteins. Ogólnie rzecz biorąc, porównanie mechanizmów molekularnych u archaea i bakterii wykazało, że w każdym przypadku procesy te musiały być znacznie prostsze w LUCA niż we współczesnych komórkach, a rosnąca złożoność występowała niezależnie z jednej strony u bakterii, a z drugiej u archaea i eukariotów.

LUCA prawdopodobnie nie posiadała ultra-wyrafinowanych kompleksów molekularnych występujących u współczesnych organizmów, które na przykład umożliwiają im bardzo wydajną produkcję energii. Podobnie, jej genom prawdopodobnie nadal składał się z RNA, a możliwe jest, że DNA i mechanizmy jego replikacji mogły pojawić się dwukrotnie niezależnie, być może z bardzo dawnych linii wirusowych. O obecności wirusów w czasach LUCA świadczy dziś istnienie głównych rodzin wirusów, których członkowie zakażają bakterie, archaidy lub eukarionty.

Zimny (lub tepidalny) przodek

Odkrycie archaea żyjących w bardzo wysokich temperaturach początkowo sugerowało, że sama LUCA była hipertermofilemFermerHypertermofile to arche, których optymalna temperatura wzrostu jest równa lub wyższa niż 80°C (zdefiniowana przez niemieckiego mikrobiologa Karla Stettera, który jako pierwszy opisał większość tych mikroorganizmów). Rekonstrukcja niektórych sekwencji jego przodków przez zespół CNRS z Lyonu pod kierownictwem Manolo Gouy2 wykazała, że prawdopodobnie tak nie jest. Prace tego samego zespołu dowodzą jednak, że przodkowie zarówno bakterii, jak i archaidów żyli w wysokich temperaturach. Jak zatem zimna (lub wilgotna) LUCA mogła wyewoluować w gorących przodków bakterii i archaidów? Wysunąłem tezę, że organizmy z obu dziedzin mogły rozwinąć się do swoich obecnych form przez przystosowanie się do coraz wyższych temperatur. Ta zmiana mogła zatem odegrać kluczową rolę w formowaniu się świata żywego, jaki znamy dzisiaj.

Some thermophilic organisms derive their energy from hot springs rich in sulfur and iron oxide, as is the case with the Grand Prismatic Spring, a basin in Yellowstone Park (US).

Some thermophilic organisms derive their energy from hot springs rich in sulfur and iron oxide, as is the case with the Grand Prismatic Spring, a basin in Yellowstone Park (US).

WISANUBOONRAWD/FOTOLIA

WISANUBOONRAWD/FOTOLIA

Share

Share

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). Popularna hipoteza postuluje, że eukarionty wywodzą się od archeana, który na drodze endosymbiozy zasymilował bakterię, z której wywodzą się mitochondria. W 2015 roku zespół ze Szwecji ogłosił odkrycie Lokiarchaeota, który może być brakującym ogniwem pomiędzy archeanami a eukariontami. Praca naszego zespołu wykazała jednak, że wniosek ten był obarczony kilkoma artefaktami metodologicznymi. Preferujemy teorię, że eukarionty nie wywodzą się bezpośrednio od archaidów, ale mają z nimi wspólnego przodka. Pewne cechy eukariontów mogły więc istnieć w LUCA, a następnie zostać utracone przez archeaea i bakterie.

Bez wehikułu czasu, nakreślenie portretu LUCA i określenie kształtu uniwersalnego drzewa życia długo pozostanie kwestią kontrowersyjną. Jednak stały dopływ świeżych danych z genomiki porównawczej coraz bardziej zawęża możliwe scenariusze. Watch this space!

Analizy, poglądy i opinie wyrażone w tej części są autorstwa autorów i niekoniecznie odzwierciedlają stanowisko lub politykę CNRS.

Przypisy

  • 1. Rybosomy są bardzo złożonymi elementami komórki, które syntetyzują białka przy użyciu informacji przenoszonych przez RNA lub DNA.
  • 2. Laboratoire de biométrie et biologie évolutive (CNRS / Univ. Claude-Bernard / VetAgro Sup / Hospices civils de Lyon / Inria).

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *