У археи Асгарда есть скелет

Выращен в лабораторных условиях новый представитель уникальной группы архей Асгарда, которого назвали Lokiarchaeum ossiferum. Его клетки имеют ветвистые выросты, а также актиновые филаменты, похожие на те, что есть в эукариотических клетках. Эта и другие особенности объясняют, как общий предок эукариот, подобный архее Асгарда, мог поглотить бактерию-симбионта — предка митохондрий.

Изображение:

Художественная реконструкция новой локиархеи

Credit:

Margot Riggi, The Animation Lab, University of Utah | Пресс-релиз

Эукариотические клетки (имеющие ядро) возникли в ходе эволюции путем слияния клеток архей и бактерий; этот процесс называется эукариогенезом. Как именно это произошло, не до конца понятно. Однако исследование геномов уникальной группы микроорганизмов, обнаруженных семь лет назад, которые получили название архей Асгарда (Asgard archaea), показало, что это наиболее вероятные родственники архей, участвовавших в эукариогенезе (подробнее на PCR.NEWS).Из всех неэукариотических организмов они наиболее близки к эукариотам.

Представители таксона локиархей, обитающие вблизи подводного гидротермального источника, который называется «Замок Локи», были идентифицированы первыми из архей Асгарда, а затем метагеномные подходы обнаружили других. Многие из них занимают довольно обычные экологические ниши, и удивительно, что они не были открыты раньше. Одна из возможных причин в том, что археи Асгарда очень трудно выращивать в лаборатории. Авторы новой статьи, опубликованной в Nature, культивировали второго представителя этого таксона, для которого предложено название Lokiarchaeum ossiferum. Первым был Prometheoarchaeum syntrophicum, которого удалось вырастить вместе с метаногенным партнером и геном которого как раз и продемонстрировал близкое родство с эукариотами.

Эукариоты — самые сложные организмы на Земле. Их клетки содержат ядро, в котором находится ДНК, митохондрии, внутриклеточная мембранная сеть, цитоскелет, образованный филаментами (нитями) из белков актина и тубулина. Предками митохондрий могли быть представители группы альфапротеобактерий, поглощенные архейной клеткой. Исследования структуры нового представителя локиархей подтверждают возможность такого сценария.

Авторы исследования взяли образец донных отложений из эстуарного канала у побережья Словении, который содержал около 4% архей Асгарда, и начали варьировать условия культивирования, чтобы повысить их долю. На минимальной среде с антибиотиками и в анаэробных условиях удалось получить обогащенную культуру, содержащую 80% локиархеи, которую обозначили Loki-B35. Примечательно, что этот вид, как и P. syntrophicum, рос с другими видами в синтрофии (то есть зависел от их метаболизма).

 Один из авторов статьи Рафаэль Понсе с образцом седимента. Credit: Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Wien |  Пресс-релиз
 

Получив обогащенную культуру, исследователи секвенировали геном Loki-B35 — примерно 6 млн пар оснований, причем получили высококачественную сборку. Это важно, потому что дает более надежное подтверждение видовой идентичности, чем метагеномные методы. Последовательности генов 16S рибосомной РНК Loki-B35 и P. syntrophicum сходны на 95,3%, а ортологичные белки имеют 58,4% идентичности аминокислот, что соответствует принадлежности к разным родам.

Клетки археи Асгарда слишком малы для большинства методов световой микроскопии, поэтому авторы обратились к визуализации с помощью криоэлектронной томографии (крио-ЭТ). Им удалось получить изображения с молекулярным разрешением — 3–5 нанометров.

Чтобы идентифицировать клетки Loki-B35, авторы попытались дополнить крио-ЭТ флуоресцентной гибридизацией in situ (FISH), однако для этого требуются химическая фиксация, обезвоживание и другие жесткие методы, которые повреждали хрупкие клеточные структуры. Поэтому для идентификации использовали особенности строения рибосом архей Асгарда. В их рибосомной РНК есть так называемые суперразмерные эукариотоподобные сегменты экспансии, которых нет у других бактерий и архей; подобные структуры были идентифицированы с помощью компьютерного анализа изображений, и это послужило дополнительным отличием клеток Loki-B35 от «соседей» по культуре.

Клеточная мембрана локиархеи не укреплена стенкой, ее поверхность шероховатая, скорее всего, из-за мембранных белков. Когда был культивирован P. syntrophicum, электронная микроскопия обнаружила мембранные пузырьки и длинные, сложно ветвящиеся выросты. Округлые клетки, описанные в новой работе, также имеют многочисленные выросты сложного строения с перетяжками, иногда с расширениями на концах. Это согласуется с моделью эукариогенеза, согласно которой мембранные выросты предка эукариотической клетки окружили бактерию — предка митохондрии. ДНК ограничена телами клеток, в выступы она не проникает.

 Сканирующая электронная микрофотография локиархеи. Credit: Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Wien |  Пресс-релиз
 

Большинство архей Асгарда имеет белки цитоскелета, сходные с эукариотическими, — актин и модуляторы актина. Авторы визуализировали у Loki-B35 внутриклеточные белковые филаменты, очень похожие на филаменты из F-актина, которые формируют цитоскелет в клетках эукариот; они также состоят из двух спирально закрученных нитей. Эти филаменты находятся и в ветвистых выростах клеток. Отсюда видовое название, предложенное исследователями, — Lokiarchaeum ossiferum, «локиархея, имеющая скелет».

Ранее было предсказано, что археи Асгарда должны иметь цитоскелет, сходный с эукариотическим и более сложный, чем у бактерий и других архей. Это следовало из геномных данных и объясняло способности такой клетки к поглощению потенциальных симбионтов. Обнаружение филаментов L. ossiferum структурный биолог Ян Лёве назвал «триумфом» и добавил, что понимание эукариогенеза, возможно, не так далеко, как кажется.

Актиноподобный белок авторы назвали «локиактином». Он высококонсервативен у всех архей Асгарда. Авторы отмечают, что длинные выступы делают клетку уязвимой, и это объясняет, почему представители таксона чаще образуются в осадке, а не в планктоне.

Известно, что археи Асгарда имеют много эукариотических сигнатурных белков (ESP). Многие из этих белков связаны с процессами, уникальными для эукариот, такими как внутриклеточный транспорт — направленное перемещение «грузов» между мембранными компартментами. Например, у архей Асгарда есть компоненты механизма ESCRT, убиквитиновой системы, расщепляющей ненужные белки.

Внутриклеточные мембраны у L. ossiferum не обнаружены, что удивительно, поскольку у него имеются ESP, связанные с транспортировкой именно мембранных компонентов. Возможно, они участвуют в везикулярном транспорте в клетку археи и из нее. Клетки L. ossiferum могут обмениваться везикулами как друг с другом, так и со своими синтрофными компаньонами в культуре. Эти белки могут также модулировать мембрану, чтобы обеспечить формирование выроста.

Поскольку обе культивированные археи Асгарда растут в синтрофии с другими микроорганизмами, можно предположить, что это типично для них. «Социальный» образ жизни мог способствовать слиянию клеток на заре эукариогенеза. Возможно, дальнейшие исследования обнаружат современные события слияния.

Источник

Rodrigues-Oliveira, T., et al. Actin cytoskeleton and complex cell architecture in an Asgard archaeon. Nature (2022). DOI:  10.1038/s41586-022-05550-y

Добавить в избранное