Генетические подсказки раскрывают корни древа жизни до последнего общего предка

Фото из открытых источников

Генетики утверждают, что дублированные гены, присутствующие в каждой ветви древа жизни, могут дать нам представление об эволюции, произошедшей между первой формой жизни и последней, от которой мы все произошли. Новое исследование было опубликовано в журнале Cell Genomics.

Насколько нам известно, жизнь на Земле возникла лишь однажды, и все живое сегодня является потомком этого первоначального открытия. Однако дивергенция, подарившая нам грибы, мышей и кленовые деревья, вероятно, произошла не сразу. То есть у древа жизни был ствол, возможно, довольно длинный, прежде чем оно начало разветвляться на такие знакомые царства, как животные, растения, грибы и бактерии, не говоря уже о дальнейших подразделениях внутри каждого из них.

Точка, непосредственно предшествующая началу разветвления, известна как последний общий предок (LUCA). Мы думаем, что узнали кое-что о природе LUCA, изучая признаки, общие для всех выживших форм жизни. Но что насчет предшественников LUCA? Что мы можем узнать о шагах, которые превратили эти первые нити РНК в последнего общего предка (LUCA)? Широко распространено мнение, что ничего, но новая статья оспаривает эту точку зрения.

«Хотя последний общий предок является самым древним организмом, который мы можем изучать с помощью эволюционных методов, — заявил профессор Аарон Голдман из Оберлинского колледжа, — некоторые гены в его геноме были намного старше».

Попытки реконструировать LUCA пришли к выводу, что это был относительно сложный организм, который не мог появиться спонтанно. Вместо этого LUCA был продуктом длительного периода эволюции от более простых форм жизни.

Чтобы понять, как это возможно, рассмотрим тот факт, что у отдельной формы жизни часто бывает несколько версий семейства генов, известных как паралоги. Около 70 процентов наших генов являются частью паралогов, и даже для E. coli эта цифра составляет 46 процентов. Авторы приводят пример генов, кодирующих гемоглобин, который позволяет нашему организму переносить кислород по крови. У человека таких генов восемь; избыточность в чем-то столь важном — разумное вложение.

Паралог гемоглобина намного моложе, чем LUCA, но его происхождение связано с одним-единственным геном, который, как считается, появился около 800 миллионов лет назад. Ошибки копирования (и, возможно, на ранних этапах горизонтальный перенос генов) привели к появлению различных версий этого гена в ДНК животных за это время, и некоторые из них оказались достаточно полезными, чтобы сохраниться.

Чтобы считаться универсальным паралогом, по крайней мере две версии гена должны присутствовать во всех ветвях древа жизни. Универсальные паралоги, как утверждают Голдман и соавторы, являются признаком того, что этот ген был несовершенно дублирован до LUCA, и вся жизнь теперь несет в себе наследие этой до-LUCA дупликации.

«История этих универсальных паралогов — единственная информация, которая у нас когда-либо будет об этих самых ранних клеточных линиях, поэтому нам необходимо тщательно извлечь из них как можно больше знаний», — сказал Грег Фурнье из Массачусетского технологического института. «Нам известно очень мало универсальных паралогов», — сказал Голдман, — «но это делает найденные нами еще более ценными».

Голдман, Фурнье и доктор Бетюль Качар опубликовали исследование семи известных универсальных паралогов, отметив, что все они относятся к генам, контролирующим способ производства белков или проникновение молекул через клеточные мембраны. Мы предполагаем, что жизнь не смогла бы выйти за пределы своих простейших форм без необходимости в этих генах. Универсальные паралоги подтверждают, что эти способности развились задолго до LUCA, что дает время для их дублирования.

Лаборатория Голдмана ранее более подробно изучила один универсальный паралог, который встраивает белки в клеточные мембраны, используя методы вычислительной биологии для реконструкции белка, закодированного в исходном гене, выполняющем эту роль. Это была не обязательно первая версия белка, но та, которая достаточно хорошо справлялась со своей задачей, чтобы ее потомки были переданы LUCA, а следовательно, и всей современной жизни.

Авторы отмечают, что у LUCA, вероятно, было больше паралогов, но если даже один потомок потерял все гены, кроме одного, в паралоге LUCA, он не будет универсальным, и его происхождение будет скрыто.

«Отслеживая универсальные паралоги, — говорит Качар, — мы можем связать самые ранние этапы жизни на Земле с инструментами современной науки. Они дают нам шанс превратить самые глубокие неизвестные аспекты эволюции и биологии в открытия, которые мы можем реально проверить».