Masarykova univerzita v Brně
Přírodovědecká fakulta
Seminární práce na téma:
Výzkumný projekt mého potenciálního zaměření
Objev Lokiarchaeota
ve světle výzkumu eukaryogeneze
Autor: Jan Mašek
Úvod do problematiky
Teorie eukaryogeneze
Život bývá v současnosti rozřazován do tří domén – Archaea, Bacteria a Eukaryota, v souladu s
třídoménovým systémem, zavedeným v současné podobě v roce 1990 na základě práce Carla
Woese.[1]
Eukaryontní buňky jsou svou stavbou mnohonásobně složitější než prokaryontní (tj.
organismů domén Archaea a Bacteria) a byť se předpokládá, že se Eukaryota vyvinuli z prokaryot,
ve volné přírodě vědci nenalezli organismy, které by se nacházely ve fylogenetickém mezistupni.
Teorií, jak mohla vzniknout tak komplexní buňka z primitivní, lze v současném uvažování o daném
tématu najít několik.
Jednou z teorií eukaryogeneze je teorie archezoální. Archezoa měla být svou velikostí a
komplexností již eukaryontní buňky, které fagocytovaly a ne zcela strávily α-proteobakterii, která se
postupně vyvinula v endosymbionta. Nebyl však nikdy takový (tzn. amitochondriální) organismus
nalezen, navíc se existence buňky takovýchto rozměrů bez energetického zásobení z mitochondrií
nezdá vůbec možná. [2]
Mitochondrie se tedy jeví být podmínkou pro samotný vývin Eukaryot. Další verze vzniku
eukaryontních buněk předpokládá nejprve pohlcení bakterie Archeonem a samotná endosymbióza
až spustila eukayrogenezi. Endosymbióza je však mezi Bacteria a Archaea velice vzácná.[2]
V nedávných letech mikrobiologové našli v archaeálních genomech geny kódující homology
některých proteinů, podílejících se na ultrastruktuře buněk. Dobrým příkladem mohou být
homology ubiquitinu a enzymy s ním spojené v Caldiarchaeum subterrenium. Dále byly v různých
skupinách Archaea nalezeny geny, kódující archaeální aktiny (tzv. krenaktiny), tubuliny či komplex
ESCRT-III.[2]
Vzhledem k značnému horizontálnímu přenosu genů mezi Archaea není
nepředstavitelné, že by se výše vyjmenované struktury nemohly objevit v jednom organismu, který
by byl schopen primitivní formy fagocytózy a zachytit endosymbionta. Tato teorie je v podstatě
spojením dvou výše zmíněných myšlenek.
Všechny myšlenky výše zmíněné předpokládají, že předek Eukaryot měl fagocytovat předka
mitochondrie. Avšak žádná fagocytující prokaryota nejsou známa. S tímto faktem se vyrovnává
vodíková hypotéza, podle které mitochondrie vznikla původně z anaerobní syntrofie dvou
prokaryot. Předek mitochondrie byl (podle této teorie) fakultativní anaerob schopný jak dýchání, tak
anaerobní fermentace s molekulou vodíku jako konečným produktem. Hostitel byl pak závislý na
výskytu vodíku, což jej přivedlo do blízkosti předků mitochondrií. Ze dvou samostatných
organismů se později staly symbionti, metabolické reakce a přenos genů způsobily inegraci předka
mitochondií do ultrastruktury hostitele. Endosymbiont se pak postupně specializoval na produkci
ATP. Hostitel tak nepotřeboval fagocytózu pro pohlcení endosymbionta. V přírodě, včetně
prokaryot, lze najít takové případy.[3]
Lokiarchaeota
Zkoumání mikrobiálních společenstvev může prohloubit naše poznání a upřesnit teorie vzniku,
případně i některé vyvrátit. V roce 2015 byl oznámen objev nové skupiny Archaea, nazvaných
Lokiarchaeota, podle lokality Lokiho Hrad, pole hydrotermálních průduchů, nacházejících se v
Severním ledovém oceánu mezi Norskem a Grónskem. Metodou metagenomiky vědci sekvenovali
vzorky ze sedimentu, nacházejícího se asi patnáct kilometrů severoseverozápadně od Lokiho Hradu
v hloubce 3283 metrů pod mořskou hladinou. Získali z asi 92 procent kompletní genom linie
nazvané Lokiarchaeum, včetně kopií genů 16S a 23S rRNA. Sekvenovali i další dva menší genomy,
které nazvali Loki2 a Loki3. Segmenty těchto dvou linií neobsahovaly 16S rRNA geny, proto byly
přiřazeny k Lokiarchaeota až na základě dalších analýz. Lokiarchaeum a Loki2 byly klasifikovány
jako sesterské linie, Loki3 pak vyšlo jako sesterská linie Eukaryot.[4]
Analýza proteomu Lokiachaeum odhalila, že 32 % proteinů se nepodobalo žádnému známému
proteinu, 26 % typicky archaeálním proteinům, 29 % bakteriálním, 3,3% pak eukaryontním. Asi 2,2
% všech proteinů patří mezi Ras GTPázy, které jsou v eukaryontních buňkách mj. součástí procesu
fagocytózy. V jejich genomu byly pak nalezeny geny kódující pět aktinových homologů, které jsou
bližší eukaryontním aktinům než archaeálním krenaktinům. Další geny kódují i ESCRT-III komplex
a pravděpodobně i systém ubiquitinu.[4]
Všechny zmíněné skutečnosti hovoří proti archezoální
teorii. Avšak Lokiarchaeum je stále typickým zástupcem Archaea, četné komponenty eukaryontních
buněk chybí, tudíž objev skupiny Lokiarchaeota nemůže nyní plně vyvrátit tuto teorii, byť značně
snižuje její kredibilitu.
Hlubší analýza genomu ukázala, že Lokiarchaeota jsou vodík dependentní, anaerobní a
pravděpodobně autotrofní. Tyto poznatky jsou v souladu s vodíkovou hypotézou.[4]
Fagocytóza totiž
už z podstaty vyžaduje heterotrofii. Navíc je potřeba eukaryontní cytoskeleton, tvorba
potravinových vakuol a systém intracelulárního vezikulárního transportu. Nic z toho však není v
plné míře u Lokiarchaeota přítomno, tudíž i fagocytóza se jeví velice nepravděpodobná.
Definice problému a navržení řešení
Předchozí text byl shrnutím některých základních teorií eukaryogeneze a konfrontace těchto teorií s
novými poznatky. Objev Lokiarchaeot vyvolal novou debatu, která se však nutně zůstává na poli
domněnek. Analýza genomu a proteomu může sice leccos naznačit, nutno ale mít na mysli, že
genom Lokiarchaeum není sekvenován celý, u linií Loki2 a Loki3 nemáme ani polovinu.[4]
Není ani
znám žádný příbuzný genom, jenž bychom znali celý. Lokiarchaeota nebyla zatím izolována a
kultivována v laboratoři, ba neexistuje ani fotografie. Nevíme nic o fyziologii ni morfologii těchto
organismů. Je nutno dále zkoumat genom a proteom těchto tvorů a pokusit se získat údaje o podobě
a stavbě buněk. Co se týče problému eukaryogeneze, pro ověření a zpřesňování teorie (resp.
prozatím teorií) je nutno pokračovat ve výzkumu těch kmenů organismů z domén Archaea a
Bacteria, jejichž předci by mohli být součástí linií, ze kterých se endosymbiózou stala Eukaryota.
Metoda řešení a očekávaný výsledek
Pomoci vyřešit otázky, které vyvstali po pulbikování objevu v roce 2015, by mohlo odebrání dalších
vzorků sedimentů z lokace nálezu. Pro přesnější určení vlastností Lokiarchaeot je nutno sekvenovat
celý genom všech tří linií. Pak bychom konečně zjistili, jak moc doopravdy jsou geneticky příbuzná
Eukaryotám. Nejspíš se ukáže, že plně patří do své domény a nepotvrdí se domněnka, že jsou
vývojovým mezistupněm. Dalším důležitým krokem k porozumění těmto organismům je izolace z
prostředí a kultivace. Proces by to byl velice obtížný (pokud je vůbec možný), obecně se kultivace
Archaea teprve vyvíjí, ale i ''pouhá“ izolace těchto buněk by mohla poskytnout odpověď na některé
otázky. Pravděpodobně by se potvrdila domněnka, že se velikostí nevymykají hodnotám pro
Archaea obvyklým. Vodík depedentní autotrofie, vyplývající z genomu, se také s nejvyšší
pravděpodobností potvrdí.
Závěr
Normální velikost buňky by mohla, vzhledem k faktu, že jsou Lokiarchaeota ze známých prokaryot
nejblíže k Eukaryotám, být další ránou pro archezoální teorii. Kompletní genom, ukáže-li, že dané
geny nestačí pro vznik složitějších struktur eukaryontního cytoskeletu a dalších nezbytných složek
fagocytózy, sníží důvěryhodnost všech teorií, jež předpokládají, že byl endosymbiont fagocytován.
Naopak vzroste význam vodíkové teorie; lze odhadovat, že se bude s novými informacemi
upřesňovat a rozvíjet. Otázkou zůstává například způsob pohlcení endosymbionta, o čemž se v
rámci objevu Lokiarchaeota také rozvířila nová debata.[6]
Literatura
1 KEATS, JONATHON. Discover [online]. 2016, 37(9), 8-9 [cit. 2017-01-03]. ISSN 02747529.
2 KOONIN, Eugene V. Archaeal ancestors of eukaryotes: not so elusive any more. BMC
Biology [online]. 2015, 13(1), 1-7 [cit. 2017-01-03]. DOI: 10.1186/s12915-015-0194-5. ISSN
17417007.
3 MARTIN, William F.;Neukirchen. Energy for two: New archaeal lineages and the origin of
mitochondria. BioEssays [online]. 2016, 38(9), 850-856 [cit. 2017-01-03]. DOI:
10.1002/bies.201600089. ISSN 02659247.
4 SPANG, Anja;Saw. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and
eukaryotes. Nature [online]. 2015, 521(7551), 173-179 [cit. 2017-01-03]. DOI:
10.1038/nature14447. ISSN 00280836.
5 SOUSA FL;NEUKIRCHEN S;ALLEN JF;LANE N;MARTIN WF. Lokiarchaeon is hydrogen
dependent. Nature Microbiology [online]. 2016, 1, 16034 [cit. 2017-01-03]. DOI:
10.1038/nmicrobiol.2016.34. ISSN 20585276.
6 BALL SG;BHATTACHARYA D;WEBER AP. EVOLUTION. Pathogen to
powerhouse. Science (New York, N.Y.) [online]. 2016, 351(6274), 659-60 [cit. 2017-01-03]. DOI:
10.1126/science.aad8864. ISSN 10959203.