Forskare kan ha upptäckt en saknad länk mellan enkla och komplexa celler, som utgör alla djur, växter och svampar.
Forskare anser encelliga organismer som kallas Archaea för att ligga mellan primitiva bakterier, som saknar en kärna, och mer komplexa celler, eller eukaryoter, på den evolutionära tidslinjen. Liksom deras bakteriekusiner, saknar Archaea en kärna, men mikroberna innehåller DNA och DNA-replikerande enzymer som nära liknar dem i eukaryoter.
Vissa forskare teoretiserar att eukaryoter utvecklades för ungefär 2 miljarder år sedan från dessa mellanliggande organismer, när ett forntida archaea tog tag i en förbipasserande mikroorganism, sugade den i sin cellbuk och förvandlade den till en provisorisk kärna. Andra föreslår att ett förfäder archaea skickade ut vandrande "blåsor", byggda från sin egen cellvägg, som låst fast på och sedan integrerade hjälpsamma encelliga organismer som fungerade som dagens organeller eller de organliknande strukturerna i celler som utför specialiserade funktioner.
Detaljerna kring denna stora evolutionära händelse förblir dumma, delvis för att forskare har funnit lite bevis på övergångsperioden mellan enkla och komplexa celler. Men nu har forskare fastställt en potentiell bro mellan prokaryoter och eukaryoter: en slående likhet kodad i deras proteiner.
I eukaryoter har vissa proteiner korta sekvenser, kända som nukleära lokaliseringssignaler eller NLS, för att komma in i kärnan. Transporterproteiner binder till NLS och följer sedan en annan molekyl genom porerna i kärnmembranet. I huvudsak fungerar NLS: er som ett mobil säkerhetsmärke.
Även om Archaea saknar kärnor, bär några av deras proteiner NLS-liknande märken ändå, enligt studien publicerad 10 september i tidskriften Molecular Biology and Evolution. Författarna föreslår att NLS: er föregick kärnans ursprung och kan ha fungerat som en evolutionär springbricka som möjliggjorde archaea att gradvis utvecklas till komplexa liv.
"Naturen tenderar att uppfinna utifrån vad den redan har," sa evolutionsbiologen Sergey Melnikov, en postdoktorisk forskare vid Yale University och medförfattare till studien.
Dessa NLS-märken ger bevis på en mellanliggande form mellan enkla och komplexa celler - ett resultat som motsvarar att man upptäcker en fågelliknande dinosaurie eller kryper fisk som en paleontolog, berättade Melnikov för LIve Science. "Detta är ganska unikt för att hävda att dessa finns i Archaea ... Ingen har ens tänkt att de borde leta efter NLS i Archaea," sade beräkningsbiologen Aravind Iyer, som studerar protein- och genomutveckling vid National Center for Biotechnology Information, men var inte involverad i den aktuella studien.
Men inte alla är övertygade: Två experter berättade för Live Science att NLS inte kan vara den evolutionära rökpistolen som visar hur enkla celler utvecklats till mer komplexa.
Gräva efter cellulära fossiler
I stället för att gräva igenom skelettresterna, gick Melnikov genom cellernas ribosomala proteiner för att sammanföra deras evolutionära historia. (Ribosomer är cellfabriker som hjälper till att sätta ihop proteiner.)
"Det finns bara en handfull gener som är allestädes närvarande," vilket betyder att de finns i alla livsformer, sade Melnikov. Ungefär hälften av de konserverade generna kodar för ribosomala proteiner, förklarade han, ett faktum som antyder att proteinerna har en lång evolutionär arv, som eventuellt sträcker sig tillbaka till början av själva livet. I eukaryoter kommer ribosomala proteiner in i kärnan som ska modifieras innan butiken inrättas i cytoplasma; de har enkel tillgång till kärnan tack vare sina NLS.
Genom att jämföra strukturen för ribosomala proteiner som provtagits från alla tre livsområdena - Archaea, Bacteria och Eukarya - syftade Melnikov till att upptäcka dessa signatursekvenser. Archaea-grupperna som han undersökte är bland de som finns i naturen idag.
Se och se, Melnikov och hans kollegor upptäckte fyra archaealproteiner utrustade med säkerhetsmärken som liknar deras eukaryota motsvarigheter. NLS-liknande sekvenser dök upp i flera grupper av Archaea, så forskarna drog ut att funktionen hade dykt upp tidigt i archaeal evolutionära historia. (I Archaea hjälper NLS emellertid förmodligen huvudsakligen organismerna lättare att identifiera nukleinsyror, byggstenarna för DNA och RNA. Medan eukaryota NLS också tjänar denna funktion, är de bättre kända för att hjälpa proteiner i kärnan.)
Teamet fortsatte med att testa om NLS: erna var funktionellt utbytbara över livets kungarike och bytte ut ett eukaryot märke för en archaeal. Under ett ljusmikroskop verkade de archaeala NLS: erna fungera precis som eukaryota NLS: er och gav sina associerade proteiner VIP-åtkomst till kärnan. Trots att de delar samma funktioner kan NLS: erna i eukaryoter och Archaea inte vara relaterade till evolutionärt, säger experter.
Iyer förblir till exempel tvivelaktiga när det gäller fyndet. NLS består av bara fem till sex proteinbyggnadsblock, kallade aminosyror. På grund av deras korta längd och särskilda kemiska struktur är NLS: er statistiskt troligt att visas i proteiner av en slump, berättade Iyer för Live Science.
Med andra ord, de archaeala och eukaryota sekvenserna kan ha dykt upp oberoende och därför skulle de inte vara evolutionärt besläktade. Iyer sa att han skulle vara mer övertygad om ytterligare forskning avdäcker archaeal NLS i ytterligare proteiner, sådana som liknar dem som kommer in i kärnan i eukaryoter.
"I slutändan visar detta bara att dessa sekvenser troligen föregick kärnor," berättade Buzz Baum, en cell- och evolutionärbiolog vid MRC Laboratory for Molecular Cell Biology i England, Live Science i ett e-postmeddelande. Archaea som delar många genetiska likheter med moderna eukaryoter saknar fortfarande kärnor och organeller, förklarade han, så det är svårt att se hur dessa NLS: er ledde till utveckling av kärnor.
- Extremt liv på jorden: 8 bisarra varelser | Levande vetenskap
- 7 teorier om livets ursprung | Levande vetenskap
- Galleri: Rainbow of Life i Great Salt Lake | Extremophiles | Leva…
Ursprungligen publicerad den Levande vetenskap.
