днк эукариот

Несмотря на явные различия в клеточной организации ядерных организмов, эукариот, и безъядерных, бактерий и архей, существует предположение, что эукариоты и их архейные сородичи имеют общего предка и связаны между собой через вирусное наследие.

В течение десятилетий доминировала идея о «‎дереве трех доменов»‎, согласно которой эукариоты, археи и бактерии разделяют общего предка, причем эукариоты и археи составляют сестринскую группу (рисунок 1) .Однако современные исследования приносят новые данные, указывающие на возможное более тесное родство между эукариотами и археями. Это ставит под сомнение традиционное представление о древе жизни и открывает новые перспективы для понимания эволюции клеток [1].

Рисунок 1. Филогенетическое древо, основанное на данных рРНК, подчеркивающее разделение бактерий, архей и эукариот. LUCA – гипотетический последний универсальный общий предок

Важная точка в обсуждении происхождения эукариотической клетки — как появилось клеточное ядро и какие факторы этому способствовали. Старые гипотезы включали в себя идею о симбиогенезе, согласно которой эукариотическое ядро произошло от поглощенной прокариотической клетки. Современные же исследования по-новому взглянули на этот вопрос [2].

Одна из самых интригующих гипотез — вирусная гипотеза происхождения эукариотического ядра. Согласно ей, эукариотическое ядро произошло от вирусной фабрики гигантского вируса архей. Вирусная фабрика — зона в цитоплазме, в пределах которой происходит репликация вируса и сборка вирусных частиц. Предполагается, что древний архейный вирус развил способность кэпировать мРНК, то естьдобавлять к 5'-концу молекулы мРНК специальную структуру, которая улучшает стабильность и предотвращает деградацию. Этот механизм экспорта мРНК и управления трансляцией мог стать основой для развития эукариотического ядра и его способности разделять транскрипцию и трансляцию [3].

Но каждая из теорий происхождения ядра предполагает, что археи и эукариоты — родственники. Поскольку последний общий предок эукариот LECA обладал как ядром, так и митохондрией, а современные археи не обладают ни одной из этих органелл, обе школы мысли должны объяснить, почему ядро ​​и митохондрии появляются в эукариотической линии, а не в архейной. Несмотря на почти 100 лет разногласий, данные показывают, что появление митохондрий убедительно объясняется ее эндосимбиотическим происхождением от альфа-протеобактерии. Напротив, появление ядра объяснить гораздо сложнее, и оно остается спорным, несмотря на его важность для понимания происхождения эукариот [2, 3].

Около 20 лет назад была предложена теория, связывающая происхождение ядра эукариот с вирусами, на основе анализа фермента ДНК-полимеразы и схожести некоторых их функций. Ученые пытаются подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, используя филогенетический анализ и сравнение геномов, чтобы лучше понять эволюционное происхождение эукариотического ядра через сравнение ДНК эукариот и прокариот [3].

Согласно гипотезе вирусного происхождения эукариотического ядра, ядро и вирусы группы Pox произошли от древнего архейного вируса, который развил способность модифицировать мРНК для управления белковым синтезом — кэпировать её. Вирусы группы Pox могут разделять транскрипцию — процесс создания мРНК, и трансляцию — синтез белка, что делает их схожими с клеточными механизмами эукариот.

Позднее выяснилось, что вирусы Pox принадлежат к группе крупных ДНК-содержащих вирусов NCLDV. Эти вирусы унаследовали способность модифицировать мРНК, что укрепило идею — эукариотическое ядро могло развиться из структуры, похожей на «вирусную фабрику» этих вирусов.

На примере Пандоравирусов и Мимивирусов стало ясно, что многие из них обладают аналогами белков, участвующих в синтезе полипептидов у эукариот. Например, у этих вирусов есть белки, похожие на eIF4E, который помогает начать процесс трансляции мРНК. Мимивирусы даже формируют «вирусные фабрики» в цитоплазме клеток-хозяев, что напоминает процессы в эукариотах.

Эти наблюдения дают основания полагать, что ядро эукариот и вирусы могли иметь общего предка. Современные исследования включают анализ генов, которые важны для разделения транскрипции и трансляции в эукариотах, чтобы проверить эту гипотезу [2-4].

Переход от связанной системы транскрипции/трансляции, обнаруженной у современных архей (рисунок 2), к несвязанной эукариотической системе (рисунок 3), потребовал эволюции сложной молекулярной системы, включающей сотни генов, действующих согласованно. И тут, друзья, настал момент сложной молекулярной биологии [3].

Рисунок 2. Сопряженная прокариотическая система транскрипции и трансляции. И археи, и бактерии используют один тип многокомпонентной РНК-полимеразы для транскрипции всей РНК. Транскрипция и трансляция у прокариот связаны, поскольку транскрипция и трансляция происходят непосредственно в протоплазме, и инициация трансляции может произойти до того, как транскрипт мРНК будет полностью синтезирован. Трансляция у прокариот основана на прямом распознавании мРНК рибосомальным аппаратом посредством таких последовательностей, как последовательности Шайна-Дальгарно [3].

Транскрипция и трансляция у эукариот происходят в разных участках клетки, что позволяет более точно регулировать синтез белков. Сначала РНК-полимераза II попадает в ядро через ядерные поры и начинает транскрипцию, прикрепляясь к специальным участкам ДНК — промоторным областям генов. Как только синтезируется около 20-25 нуклеотидов мРНК, процесс временно приостанавливается для кэпирования.

Процесс кэпирования — это важный шаг, который защищает мРНК и помогает ей взаимодействовать с другими молекулами. На 5'-конец мРНК добавляется специальная структура — кэп из 7-метилгуанозина (m7G). Это требует трех ферментов:

1. РНК-5'-фосфатаза удаляет фосфатную группу с 5'-конца.
2. РНК-гуанилилтрансфераза добавляет гуанозинмонофосфат.
3. РНК-метилтрансфераза метилирует этот гуанозин.

После кэпирования, мРНК подвергается сплайсингу и полиаденилированию, подготавливая её к экспорту. Экспорт мРНК осуществляется через ядерные поры, при этом мРНК связывается с экспортными рецепторами. В цитоплазме рибосомы прикрепляются к мРНК, начиная трансляцию. Белок начинает синтезироваться с того места, где рибосома обнаружит старт-кодон.

Теория о том, что ядро эукариот могло произойти от вирусов, основана на структурных и функциональных сходствах между ядром и вирусными капсидами, которые хранят генетическую информацию внутри защитной оболочки. Транскрипция и кэпирование мРНК в ядре эукариот, описанные выше, указывают на сложную организацию процессов регуляции генетической информации, которые напоминают вирусные механизмы защиты и обработки ДНК или РНК. Вирусы используют похожие методы, чтобы защищать свои геномы и контролировать экспрессию генов в зараженных клетках. Так, разделение процессов транскрипции и трансляции в эукариотах и сложная регуляция мРНК может быть наследием древнего вирусного механизма, который стал основой для формирования ядра в процессе эволюции.

Рисунок 3. Эукариотическая система разделенной транскрипции от трансляции сложна и использует сотни генов, которые действуют согласованно. Представлена доминирующая эукариотическая кэп-зависимая система транскрипции и трансляции, которая была функциональной в последнем родственнике эукариот LECA [3]. Механизм описан ниже.

Вирусы существовали задолго до появления последних общих предков эукариот LECA. Хотя найти ископаемые вирусов сложно, существует множество доказательств их древнего происхождения. Например, геномы прокариот, свободные от этих генетических паразитов, показывают признаки деградации, что свидетельствует о том, что вирусы помогали бороться с «‎генетической неустойчивостью»‎. Также биологи считают, что благодаря нестабильности древней ДНК, появление вирусов, обеспечивающих более высокую устойчивость, неизбежно [2, 4].

Филогенетические исследования показывают, что современные эукариотические вирусы эволюционировали из древних прокариотических вирусов. Это подтверждает идею, что вирусы появились вместе с первыми прокариотами и существовали на протяжении миллиардов лет до появления LECA.

Результаты недавних открытий указывают на то, что некоторые бактериальные вирусы могут создавать структуры, похожие на ядро клетки. Например, вирус PhiKZ, поражающий псевдомонады, создает вирусную фабрику, где вирусная ДНК изолируется от рибосом. Это позволяет разделять процессы транскрипции и трансляции, как в эукариотах. Вирусная фабрика делит бактериальную клетку на две части: вироплазму, где происходит обработка вирусной информации, и цитоплазму, в которой осуществляется трансляция и находятся метаболические ферменты [6-7].

Изучение происхождения клеточного ядра представляет собой задачу, требующую совместных усилий ученых из различных областей — от молекулярной биологии до биоинформатических исследований филогенетического родства. Несмотря на множество гипотез и споров, научное сообщество приходит к все более взвешенному пониманию того, как именно клеточное ядро могло возникнуть от вирусов.

Исследования в области молекулярной эволюции и геномики продолжают приносить новые открытия и уточнения, расширяя наше представление о происхождении жизни на Земле и взаимодействии жизненных форм. Понимание ядерного строения нужно для достижения эффективности точной доставки лекарственных лекарств, а также генной терапии, которая использует вирусы для экспрессии нужного белка в клетке.