Могут ли в клетке без ядра быть ядрышки? Недавно было выяснено, что такое возможно у прокариот: несмотря на отсутствие оформленного ядра, места сборки рибосом у них сходны с ядрышками эукариот. У археи Sulfolobus solfataricus они имеют характерный вид под электронным микроскопом, дают такую же цитохимическую реакцию и даже включают в себя эволюционно родственные белки. Это означает, что ядрышки сформировались еще до появления клеточного ядра и были «унаследованы» нами от архейного предка.
Если взять геномы всех видов на Земле и построить по ним эволюционное дерево, то все, что определяет уникальный внешний облик живого мира нашей планеты, — от вековых деревьев до людей, от китов до слизевиков — окажется лишь группой странных многоклеточных архей с сильно разросшимися и усложнившимися клетками, под завязку набитыми альфа-протеобактериальными симбионтами (митохондриями).
Все перечисленные выше организмы являются эукариотами — это означает, что их клетки имеют оформленное ядро. А еще у них есть митохондрии, лизосомы, сложная сеть внутриклеточных мембран, цитоскелет и они умеют осуществлять фагоцитоз. Кажется, что на уровне структуры клетки между нами и любыми прокариотами пролегает огромная пропасть. Но последовательности самых консервативных генов точно указывают, что мы близкие родственники локиархей — живущих в северных морях прокариот, которых лишь недавно удалось культивировать (см. Обнаружен живой представитель асгардархей, «Элементы», 22.08.2019). Наши клеточные мембраны «позаимствованы» у бактерий, когда-то заселивших наши клетки и ставших прокариотами, но белки важнейших генетических процессов — репликации ДНК, транскрипции и трансляции — происходят от архей. Более того, сам процесс организации ДНК в клетке архей, по всей видимости, похож на эукариотический. В частности, у них ДНК тоже наматывается на нуклеосомы — маленькие «катушки» из белков гистонов (рис. 2; см. F. Mattiroli et al., 2017. Structure of Histone-based Chromatin in Archaea).
Учитывая такое сходство организации генетического материала на молекулярном уровне, резонно задаться вопросом: а нет ли чего-нибудь похожего на уровне структуры клетки? Конечно, никто не ожидает найти у архей оформленное ядро или шероховатый эндоплазматический ретикулум, но можно было бы поискать параллели между тем, какие структуры наша ДНК образует внутри ядра, и какие — в клетках архей.
В интерфазе (то есть когда клетка не занята делением) вся наша ДНК распределена по объему ядра, и ее тонкие нити образуют вязкий гель. Каждая хромосома занимает определенную часть объема ядра, которая называется ее хромосомной территорией. Но в ядре есть области и помимо хромосомных территорий — окрашивание ядра мечеными антителами позволяет увидеть в нем тельца, в которых пространственно сосредоточены молекулярные процессы. Так, сплайсинг ДНК («вырезание» интронов) сконцентрирован в тельцах Кахаля (рис. 3, слева) и точкообразных тельцах (спеклах). А транскрипция рибосомальной РНК и сборка рибосом сосредоточены в похожем «комочке», который называется ядрышком (рис. 3, справа). Это единственный отдел ядра, который виден в световой микроскоп — обилие белков и РНК придает ему высокую оптическую плотность.
Помимо сборки рибосом, в ядрышке осуществляется транскрипция и сплайсинг транспортных РНК — тех самых, которые будут «подтаскивать» аминокислоты к рибосомам и составлять их вместе в соответствии с кодонами матричной РНК. В общем, ядрышко — это клеточный «станкостроительный завод», где собираются будущие «машины» биосинтеза белка. В этот процесс вовлечено большое количество белков, которые кроме ядрышка не встречаются больше нигде. И, что интересно, гомологи этих белков были ранее обнаружены у архей. Ядра у архей нет, но что насчет ядрышек?
Даже у любимой генетиками модельной бактерии — кишечной палочки — были обнаружены области, где сосредоточен синтез рибосомальной РНК (D. Jun Jin et al., 2016. Nucleolus-like compartmentalization of the transcription machinery in fast-growing bacterial cells). Эти области можно считать отдаленными аналогами ядрышек несмотря на то, что у бактерий и эукариот организация генетического материала и способы работы с ним отличаются куда сильнее, чем у эукариот и архей. Найти похожую структуру все-таки было больше шансов у какой-нибудь археи, близкородственной эукариотам.
Беда в том, что локиархеи — ближайшие родственники наших архейных предков — с трудом культивируются, и их трудно изучать экспериментально. Ближайший культивируемый родственник из числа архей нашелся в группе кренархеот. Для эксперимента был выбран вид Saccharolobus solfataricus (ранее известный как Sulfolobus solfataricus и получивший свое название от вулкана Сольфатара, откуда был выделен этот термофильный организм, рис. 4). Этот вид тоже является модельным организмом — то есть для микробиологов это что-то вроде кишечной палочки в мире архей.
Для выявления ядрышек ученые прежде всего окрасили архею цитохимической реакцией с соединениями серебра для выявления ядрышек — реакцией AgNOR. Эта распространенная и рутинная реакция давно используется для исследования под микроскопом ядрышек в эукариотических клетках — например, в судебной гистологии (Ю. Е. Морозов и др., 2018. Определение давности повреждений головного мозга по изменениям ядрышкового организатора в астроцитах). Архея под световым микроскопом также дала положительную реакцию при окраске этим методом, а под электронным микроскопом импрегнированные серебром области напоминали ядрышки эукариот (рис. 5).
Под электронным микроскопом плотные области с характерной структурой обнаруживались даже без реакции AgNOR (рис. 6). В общем, внутри археи нашлись образования, визуально (и цитохимически) похожие на ядрышки эукариот.
Теперь нужно было выяснить, действительно ли эти структуры соответствуют скоплениям ДНК, кодирующей рибосомы (рДНК), и рибосомальных РНК (рРНК). Утвердительный ответ на этот вопрос дала ультраструктурная гибридизация in situ — метод, похожий на хорошо знакомую генетикам и иммунологам флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH), но с окраской смесью лантаноидов вместо флуоресцентной краски. Оказалось, что окрашиваемые серебром электронноплотные области действительно совпадают с местами концентрации рДНК и рРНК — что делает их еще более похожими на ядрышки эукариот.
И, наконец, протеомный анализ показал, что окрашиваемые серебром области содержат по крайней мере 10 белков, гомологичных белкам, содержащимся в ядрышках эукариот. В число этих белков входят фибрилларин, обеспечивающий созревание рРНК, и псевдоуридинсинтаза, необходимая для формирования тРНК. Оба белка хорошо известны как компоненты ядрышек эукариот. То есть на молекулярном уровне «ядрышки» архей тоже оказались родственны нашим.
Обсуждаемое исследование показало, что ядрышки вполне привычного для нас типа встречаются у архей, и, скорее всего, были у нашего последнего безъядерного предка, от которого мы их и унаследовали. В общем контексте генетического сходства клеток эукариот и архей это кажется не очень удивительным, однако это первый случай, когда эволюцию клеточной структуры эукариот удалось проследить до архей. Напомним, что эукариоты не унаследовали от архей даже их мембран, так что сохранение ядрышек на протяжении таких больших промежутков времени и эпических преобразований структуры клетки выглядит наиболее впечатляющим.
Еще не до конца понятно, как именно происходил процесс проникновения будущих митохондрий в архейную клетку и как из двух типов клеток сформировалась химера, поэтому до этого времени мы не могли уверенно сказать, какая часть клетки от кого происходит. Ядрышки могут стать важной точкой отсчета в исследовании этого вопроса.
Источник: Parsifal F. Islas-Morales, Anny Cárdenas, María J. Mosqueira, Luis Felipe Jiménez-García and Christian R. Voolstra. Ultrastructural and proteomic evidence for the presence of a putative nucleolus in an Archaeon // Frontiers in Microbiology. 2023. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1075071.
Георгий Куракин
Свежие комментарии