Эукариот «отселили» от хеймдаллархей на эволюционном древе

Происхождение эукариотических клеток все еще остается загадкой для ученых. Ближайшим родственником эукариот считаются археи — при построении филогенетического дерева на основе 16s рибосомальной РНК домены архей и эукариот кластеризуются в одну группу. Асгардархеи — группа архей, которая, вероятнее всего, ближе всего к эукариотам в эволюционном плане. Их геномы содержат больше генов, кодирующих сигнатурные белки эукариот (ESP), чем геномы других архей, а морфологические и метаболические особенности указывают на возможное развитие эукариотических ядерных организмов внутри их линий.

Асгардархеи трудно поддаются исследованиям — их сложно культивировать в лабораторных условиях, а ограниченное количество известных штаммов не даст точной информации о филогенетическом положении, временных масштабах и метаболических характеристиках ранних эукариотических предков. Большая часть исследований асгардархей посвящена филогенетическому анализу обширного массива генетических данных. По предыдущим геномным исследованиям было выдвинуто предположение, что эукариоты произошли от асгардархей Heimdallarchaeia, однако результаты оставались неоднозначными.

Теперь группа китайских ученых предоставила результаты анализа 223 геномных сборок асгардархей из образцов донных отложений из солончаков и мангровых болот. Филогенетический анализ полученных сборок и ранее известных геномов подтвердил существование 10 классовых линий асгардархей. Авторы исследования описали две новые линии на уровне порядков, четыре — на уровне семейств и десять — на уровне родов.

По метагеномным данным авторы получили более 11 тысяч сборок геномов, 223 из которых принадлежали асгардархеям. Для построения филогенетических деревьев они использовали машинное обучение, которое опиралось на несколько наборов маркеров. Анализируя их, исследователи пришли к выводу, что эукариоты эволюционировали еще до диверсификации всех Heimdallarchaeia (ранее считалось, что эукариоты разветвились с Hodarchaeales внутри данной группы). Такое различие в данных, вероятно, вызвано ранее недооцененной химерной природой геномов Njordarchaeales, также входящих в Heimdallarchaeia. Эукариот отнесли к сестринской группе по отношению к Heimdallarchaeia.

Обновленное филогенетическое древо архей, дополненное несколькими линиями разных таксономических рангов.
Credit:
Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08955-7 | CC BY

Используя реконструкцию предков и молекулярное датирование, исследователи определили временные рамки существования последнего общего предка асгардархей и эукариот (LAECA). Последний общий предок агсардархей (LAsCA) появился около 3,38 млрд лет назад в архейском эоне, а общий предок Heimdallarchaeia и Lokiarchaeia жил около 3,16 млрд лет назад. Heimdallarchaeia дивергировали 3,12-­2,26 млрд лет назад — преимущественно до наступления Кислородной катастрофы. В ранних исследованиях высказывалось предположение, что эукариоты разошлись с Hodarchaeales в пределах Heimdallarchaeia 2,67-2,19 млрд лет назад. Этот временной промежуток примерно согласуется с оценками, полученными в данной работе.

Также авторы реконструировали метаболические характеристики LAECA. Недавно было показано, что культивируемые виды асгардархей Ca. P. syntrophicum и Ca. L. ossiferum способны к анаэробной деградации аминокислот. На основании этих физиологических особенностей ученые предположили, что LAsCA, вероятно, был анаэробом, который разлагал аминокислоты и производил молекулярный водород и жирные кислоты в качестве побочных продуктов. Вероятнее всего, он был H₂-зависимым хемолитоавтотрофом. Что касается предка Heimdallarchaeia и Lokiarchaeia, то он предположительно был анаэробным H₂-зависимым ацетогенным организмом. LAECA — предшественник Heimdallarchaeia — также мог быть анаэробным H₂-зависимым ацетогеном. Полученные результаты подтверждают водородную гипотезу эукариогенеза, согласно которой эукариоты возникли в результате слияния архей-хозяев, потребляющих H₂, и протомитохондрий, вырабатывающих H₂.

Реконструирован виром последнего общего предка эукариот