Проще всего предположить, что процесс возникновения эукариотной клетки стал ответом на появление кислородного фотосинтеза и отравление среды кислородом. В обмене веществ многих архей, метаногенов и метилотрофов
[20] важную роль играют ферменты, содержащие никель. Они очень уязвимы для кислорода, а значит, архейный предок в условиях кислородного кризиса не мог больше жить по-старому и был вынужден радикально изменить обмен веществ.
В современных бактериальных сообществах есть примеры тесного взаимодействия и соседства архей с бактериями. Например, метаногенные археи, поглощающие водород, живут в симбиозе с уксуснокислыми бродильщиками, выделяющими водород. В районах просачивания метана из морского дна живут в тесном симбиозе окисляющие метан археи и восстанавливающие сульфат бактерии, и между ними происходит обмен электронами при помощи соединений железа (Sivan et al., 2014). Так что архейный предок эукариот тоже мог жить в тесном симбиозе с какими-то бактериями. По самой популярной версии, он был метаногеном и получал водород от симбионтов – уксуснокислых бродильщиков.
Появление кислородного фотосинтеза вызвало крупный экологический кризис. Многие обитатели цианобактериального мата вымерли, другим же удалось создать свои или приобрести горизонтальным переносом чужие системы защиты от кислорода. Этот процесс произошел не мгновенно, а распространялся с поверхности в глубокие слои мата. К моменту появления серьезных проблем у метаногенов их соседи сверху уже имели системы адаптации к кислороду. Многие микробы в состоянии стресса начинают активно поглощать ДНК из внешней среды – таким способом наша архея приобрела гены, необходимые для защиты от кислорода, и новый обмен веществ, скорее всего, молочнокислое брожение. Сквален-монооксигеназа, необходимая для синтеза стеролов, могла исходно служить для защиты от кислорода. Механизм проводимой ею реакции очень похож на поставленное под контроль перекисное окисление липидов, одну из форм кислородного повреждения клеток. Отсутствие клеточной стенки, актиновый цитоскелет для поддержания вытянутой и ветвистой формы клетки и стеролы позволили ей перейти к фагоцитозу и успешно конкурировать с соседями-бактериями. Мембрана высокой текучести, подходящая для фагоцитоза, плохо держит мембранный электрический потенциал. Но предок эукариот в это время получал энергию путем брожения и мало зависел от мембранных энергетических процессов.
Тем временем в верхних слоях мата пурпурные фотосинтезирующие бактерии отработали аэробное дыхание, после чего органические кислоты, выделяемые бродильщиками нижних слоев, превратились для них в ценный ресурс. Эти аэробы стали оптимальными партнерами для симбиоза с фагоцитирующими бродильщиками. Фагоцитирующий предок эукариот сначала поглощал их как добычу, затем стал откладывать их переваривание и сначала подращивать на своих продуктах брожения, а потом симбионты стали отдавать хозяину АТФ и были оставлены в живых окончательно. Эти события в чем-то похожи на переход древних людей от охоты к скотоводству.
Одним из следствий приобретения митохондрий стало размножение интронов. Эти некодирующие вставки в различных генах очень обильны у эукариот, а у бактерий и архей бывают только в генах рибосомных и транспортных РНК. Чтобы не нарушать функцию РНК или белка, интрон должен быть вырезан из РНК. У бактерий и архей синтез белков, закодированных в матричной РНК, начинается еще до того, как эта мРНК будет полностью построена на матрице ДНК. При попадании интронов в белок-кодирующие гены бактерий вырезание интрона из мРНК будет осложнено – «голова» интрона окажется в рибосоме еще до того, как «хвост» будет достроен, интрон не сможет вырезаться из мРНК, и синтезированный с нее белок станет дефектным.
Интроны и сплайсинг
В генах бактерий и архей последовательность, кодирующая белок, расположена в ДНК так же, как и в матричной РНК, – одним непрерывным куском. У эукариот белок-кодирующие последовательности прерываются некодирующими вставками – интронами. Фрагменты кодирующей последовательности, разделенные интронами, называются «экзоны». Из-за наличия интронов мРНК эукариот подвергаются сложному процессу созревания. Незрелая матричная РНК содержит копии всех экзонов и интронов гена. Для получения зрелой мРНК интроны должны быть удалены, а оставшиеся экзоны соединены. Этот процесс называется «сплайсинг» – от старого морского термина, означавшего скрепление концов двух канатов без узла.
Не очень понятно, зачем эукариотам эти сложности. Сплайсинг дает некоторые преимущества, например, позволяет эукариотам получать с одного гена много разных белков. Для этого часть экзонов вырезается из мРНК вместе с интронами. В зависимости от того, какие экзоны войдут в зрелую матричную РНК, получатся разные варианты белка. Рекорд разнообразия альтернативного сплайсинга принадлежит белку иммунной системы насекомых DSCAM. Ген DSCAM мухи содержит 117 экзонов, комбинации которых дают 38 000 вариантов белка.
Эукариоты платят за эту возможность дополнительными затратами энергии и времени на синтез интронов мРНК. Хуже того, из-за сплайсинга включение и выключение генов занимает гораздо больше времени. У бактерий синтез белков на новой мРНК начинается еще до того, как она будет достроена до конца, благодаря этому через несколько минут после включения гена с него получатся первые готовые белки. У эукариот же сначала мРНК должна быть достроена до конца, а из-за интронов она длиннее, чем у бактерий, и синтезируется дольше. Потом должен пройти сплайсинг, тоже занимающий время, затем прикрепление кэпа, полиаденинового хвоста и экспорт мРНК из ядра в цитоплазму. Только после этого рибосомы смогут приступить к работе. Поэтому у эукариот от включения гена до появления первого готового белка проходит в лучшем случае от 30 до 60 минут, а часто несколько часов.
В ходе сплайсинга нередко происходят ошибки, приводящие к появлению дефектных мРНК. Для уничтожения таких матричных РНК эукариоты имеют специальную систему NMD (nonsence-mediated decay). Немногочисленные интроны в геномах бактерий вырезают себя из РНК сами, т. е. они являются рибозимами. В геномах эукариот счет интронов идет на десятки тысяч, и способностью к вырезанию самих себя они не обладают. Сплайсинг эукариот происходит при помощи специального РНК-белкового комплекса – сплайсосомы. Основную роль в ней играют шесть видов малых ядерных РНК, которые являются рибозимами. В структуре этих РНК есть сходство с самовырезающимися интронами бактерий.
Появление ядра, разделившее синтез матричных РНК и синтез белков, сняло эти ограничения, и началось бурное размножение интронов в белок-кодирующих генах предка эукариот. Мутации интронов часто нарушали их способность к самовырезанию и приводили к возникновению большого количества дефектных белков. Это вызвало давление отбора на появление системы NMD для контроля качества мРНК. Часть интронов специализировалась на вырезании других, поврежденных интронов. От них произошли малые ядерные РНК, составляющие основу сплайсосомы.
