Тубулин Одина помог разобраться в эволюции ядерных клеток

Современные биологи разделяют все живое на три группы по типу организации клетки — это так называемые домены жизни. К первому относят бактерии, просто устроенные микробы без ядра. Второй домен — эукариоты, сложные клетки с ядром и другими органеллами, к которым относят различных протистов и всех многоклеточных (включая растения и животных).

Третью группу выделили намного позже других — это археи (их раньше еще называли архебактерии), сильно напоминающие бактерии по размеру и строению клеток. Они тоже очень мелкие, всегда одноклеточные и лишены ядра. Однако, когда ученые побольше узнали об устройстве архей на молекулярном уровне, были удивлены: эти клетки совмещают в себе отдельные свойства и бактерий, и эукариот.

На самом деле, археи стали прародителями всех эукариот, включая человека. На заре эволюции, более 2,7 миллиарда лет назад, начался один из самых важных и устойчивых симбиозов. Тогда некоторые бактерии поселились внутри крупной археи, став ее митохондриями (позднее также хлоропластами растений) — так и возникли первые ядерные клетки. Выходит, все животные и растения «населены» древними микробами, ставшими их неотъемлемой частью.

Важной вехой в понимании этих давних событий стало открытие асгардархей, то есть «архей из Асгарда». Асгард — огороженный город богов в скандинавской мифологии. Такие археи представляют собой ближайших родственников эукариот и имеют с ними общие черты. Отдельные группы этих «кузенов» эукариот назвали в честь скандинавских богов Локи, Тора, Одина и Хеймдалля.

В центре внимания нового исследования японских ученых оказались одинархеи — часть одноклеточного Асгарда, названная в честь Одина — верховного божества, шамана и мудреца. Авторы статьи в Science Advances сосредоточились на одном из белков одинархеи, живущей в черных курильщиках, — тубулине Одина. Тубулин образует длинные микротрубочки, часть клеточного скелета. своеобразной «клеточной арматуры», которая нужна для поддержания формы клетки, ее деления и направленного транспорта веществ.

Возникновение тубулина стало важным этапом на пути усложнения клеток и их эукариотизации — перехода к ядерной структуре. Лишь благодаря ней на Земле появились все многоклеточные существа, включая растения, грибы и животных. Как правило, бактерии и археи лишены тубулина, однако одинархеи, как оказалось, имеют похожий на него (то есть гомологичный) белок — тубулин Одина.

Биохимики тщательно исследовали его с помощью криоэлектронной микроскопии, специфических красителей и молекулярного моделирования. Они обратили особое внимание на процесс сборки микротрубочек и смогли сделать довольно неожиданные выводы.

«Структура его филамента (нитевидного комплекса, образованного тубулином Одина, — Прим. ред.) оказалась неожиданной. Диаметр составил 100 нанометров — это намного больше, чем у тубулина эукариот, — поделился Акихиро Нарита (Akihiro Narita) из Университета Нагои (Япония). — Архитектура также уникальна. Молекулы сначала полимеризуются в небольшие дуги, а затем собираются в нечто вроде спиральной пружины. Мы можем рассматривать эту структуру как переходное звено эволюции между FtsZ (гомологом тубулина у бактерий, который также способен полимеризоваться в виде колец) и тубулином растений и животных».

Авторы заключают, что функциональный тубулин впервые возник еще у одинархеот и по большому счету унаследован эукариотами в готовом виде. Выходит, жесткий и прочный тубулин появился раньше первых ядерных клеток и стал их важной предпосылкой. Это могло быть связано с увеличением генома древних клеток — в процессе деления им приходилось перемещать все большие грузы на большие расстояния.