Вся жизнь на Земле имеет общего предка, но часть наших генов еще более стары

Фото из открытых источников

Последний общий предок всех живых существ не появился внезапно на Земле примерно 4,2 миллиарда лет назад. Часть его генов происходит из еще более древнего и загадочного источника…

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

В новой перспективе Голдман и два других биолога из США, Грег Фурнье из Массачусетского технологического института и Бетюль Качар из Университета Висконсина в Мэдисоне, утверждают, что эти сверхдревние гены, кодирующие белки, заслуживают дальнейшего изучения, если мы хотим узнать больше об основах жизни на Земле. Результаты исследования были опубликованы в журнале Cell Genomics.

Они не первые, кто использует древние семейства генов для восстановления самых глубоких страниц эволюционной истории, но это трио хочет подчеркнуть, что ключевые достижения в реконструкции последовательностей предков позволили более детально изучить геном последнего общего предка (LUCA), чем когда-либо прежде.

Генетика, как и история, пишется победителями. Если живое существо не оставило после себя потомков, то у нас практически нет возможности узнать, существовало ли оно когда-либо.

Ископаемые находки просто не охватывают период, предположительно равный времени жизни последнего общего предка, поэтому наши гены остаются одним из немногих реальных источников информации.

Древние дублированные семейства генов, иначе известные как «универсальные паралоги», представляют собой редкие дубликаты, встречающиеся во всех ветвях жизни на Земле сегодня. Это означает, что они должны были удвоиться до того, как эти ветви разделились.

Если LUCA — это ствол нашего генетического древа, то более ранние одноклеточные организмы, которые, предположительно, содержали эти дублированные гены, были корнями самой жизни — давно погребенными предшественниками, которые помогли возникнуть животным, растениям, грибам и бактериям.

«Следуя за универсальными паралогами, — говорит Качар, — мы можем связать самые ранние этапы зарождения жизни на Земле с инструментами современной науки. Они дают нам шанс превратить самые глубокие загадки эволюции и биологии в открытия, которые мы можем реально проверить».

Учёные могут лишь строить гипотезы о том, что происходило во времена жизни LUCA, не говоря уже о том, что было до него. Вероятно, LUCA не бродил по Земле в одиночку, а сосуществовал в рамках «устоявшейся экологической системы», которая была бы «умеренно продуктивной».

Вопрос о том, насколько простыми или сложными были эти организмы или их экосистемы, до сих пор остается предметом дискуссий.

В настоящее время известно лишь несколько универсальных семейств паралогичных белков, пишут Голдман и его коллеги, но эта нехватка «не обязательно связана с отсутствием паралогов в фактическом протеоме LUCA».

Со временем многие паралоги в протеоме LUCA, вероятно, исчезли из генеалогического древа семейства в результате эволюционных событий, генетической дивергенции или горизонтального переноса генов (распространенный способ обмена генами между бактериями в популяции).

Это может скрыть древнюю природу некоторых белково-специфических генов, которые до сих пор функционируют.

«По этим причинам вполне вероятно, что большинство семейств белков, присутствовавших у LUCA, могут быть необнаружимы с помощью филогенетического анализа», — пишут авторы.

Однако это ограничивает возможности исследования, что делает изучаемые материалы еще более ценными.

«История этих универсальных паралогов — единственная информация, которой мы когда-либо будем располагать об этих самых ранних клеточных линиях, поэтому нам необходимо тщательно извлечь из них как можно больше знаний», — говорит Фурнье.

Например, некоторые универсальные паралоги участвуют в системе генетического трансляции, которая, по мнению авторов статьи, «вероятно, является самой древней молекулярной системой, сохранившейся в современной жизни».

Другие универсальные паралоги связаны с производством ферментов или белками, участвующими в поддержании функции биологических мембран.

Например, недавние исследования выявили наличие предков ферментов, известных как аминоацил-тРНК-синтетазы, существовавших до появления LUCA (Единого общего предка человека).

Сказать, что эти ферменты важны для жизни, — значит ничего не сказать. Они отвечают за связывание нужной аминокислоты с соответствующей транспортной РНК, которая перемещает эти аминокислоты в последовательность, образующую белок.

Тот факт, что их предки существовали до появления LUCA, предполагает, что ранние формы жизни могли включать аминокислоты в генетически закодированные белки еще до того, как появились их более современные родственники.

«В совокупности эти результаты подтверждают, что переход к современному генетическому коду до появления последнего общего предка был сложным эволюционным процессом, включающим множество механизмов, в том числе коэволюцию с путями биосинтеза аминокислот», — заключают авторы.