Как и все, кто работал над этим проектом, Вёзе надеялся нащупать генетическую связь между прокариотами и эукариотами — нечто напоминающее связь между митохондриями и альфа-протеобактериями. Ученых ждали два сюрприза. Во-первых, провал между бактериями и эукариотами продолжал углубляться. Не было найдено никакого промежуточного звена, никакого перехода между бактериальной и эукариотической рибосомной РНК, как должно было быть, если бы эукариоты произошли от бактерий. Вместо этого все последовательности РНК упрямо разбивались на две группы, как будто между ними не было ничего общего. Это означало только одно: разделение между бактериями и эукариотами произошло очень-очень давно, возможно, уже вскоре после появления самых первых форм жизни. Это, в свою очередь означало, что эукариоты не эволюционировали постепенно на протяжении 2 млрд лет, как предполагалось. Разделение должно было произойти быстро и очень рано.
В 1977 г. Вёзе и Фокс объявили о втором неожиданном открытии, которое теперь считают одним из важнейших прорывов в биологических исследованиях прошлого столетия. В самом домене прокариот тоже не было единства. Малоизвестная группа прокариот, большинство представителей которой обитали в экстремальных условиях, таких как горячие источники или очень рибосомной РНК этих организмов было исследовано, тем яснее становилось, что это не просто новое царство внутри домена прокариот, но что-то гораздо более фундаментальное — совершенно новый домен, который стали называть доменом архей (рис. 9). Сегодня уже не говорят о пяти царствах жизни, а выделяют три домена — бактерии, археи и эукариоты. Человек, как и все животные, является всего лишь одной из ветвей домена эукариот (рис. 10).
Рис. 9. Предсказанная структура рибосомной РНК из (а) археи Halobacterium volcanii, (б) эукариотической дрожжевой клетки и (в) митохондрии коровы. Молекула РНК состоит из одной нити, однако основания РНК, как и основания ДНК, могут связываться друг с другом, так что молекула образует петли и шпильки (тогда как знаменитая двойная спираль ДНК состоит из двух скрученных молекул). «Пузырьки» на рисунке соответствуют участкам однонитевой РНК, основания которой не участвуют в спаривании. Сравнительный анализ трех образцов показывает, что общая форма и структура рибосомной РНК (вторичная структура) сохранялись в процессе эволюции. Однако конкрентная последовательность оснований значительно менялась, и сходство последовательностей весьма незначительное. Структура митохондриальной РНК напоминает структуру бактериальной РНК, от которой она произошла. Воспроизводится (с модификациями) с разрешения из Gutell et al., Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology
Рис. 10. «Укорененное» универсальное древо жизни, отражающее связь между тремя доменами жизни. Дерево построено на основе сравнительного анализа образцов рибосомной РНК, проведенного Карлом Вёзе и его коллегами. Порядок расхождения и длина ветвей отражают сходство последовательностей РНК представителей разных доменов и царств. Другими словами, они пропорциональны степени генетического родства между видами. Возможно, кому-то неприятно осознавать, что все животные, растения и грибы составляют лишь небольшую ветвь эукариот и что последовательности рибосомной РНК представителей всего царства животных различаются между собой меньше, чем последовательности РНК представителе разных групп метаногенных бактерий. Общим «корнем» этого дерева является LUCA — последний универсальный общий предок всех бактерий, архей и эукариот. Обратите внимание, что археи занимают промежуточное положение между бактериями и эукариотами, что определяется их морфологическими и биохимическими свойствами, а также последовательностями рибосомной РНК. Числа указывают минимальный возраст ветвей, определенный на основании палеонтологических доказательств и биохимических маркеров, таких как характерные мембранные стероиды, обнаруженные Йохеном Броксом и его коллегами в отложениях железа в Хамерсли (Австралия). Воспроизводится (с модификациями) с разрешения из A. Knoll, Science
С учетом существования архей мы можем составить гораздо более убедительное изображение LUCA, сравнивая признаки представителей трех доменов жизни. Археи, безусловно, похожи на бактерий тем, что не имеют ядра, так что они тоже относятся к прокариотам. И организация их геномов напоминает организацию геномов бактерий: они имеют единственную циклическую хромоcoму, гены собраны в кластеры (опероны), и почти нет «мусорной» ДНК. Однако по другим признакам, таким как структура и функции белков в клеточной мембране, они меньше напоминают бактерий. Большинство архей имеют клеточную стенку (но не все, в отличие от бактерий), не содержащую пептидогликанов. Таким образом, сходство между двумя доменами весьма ограниченное.
В других отношениях археи гораздо ближе к эукариотам. У них меньше генов, чем у эукариот, но все же примерно вдвое больше, чем у бактерий. ДНК архей обернута вокруг белков, напоминающих соответствующие белки эукариот. Механизмы репликации ДНК и синтеза белка гораздо больше напоминают аналогичные механизмы у эукариот, чем у бактерий. Например, археи включают и выключают свои гены примерно таким же образом, как эукариоты. Структура рибосомных белков тоже напоминает структуру соответствующих белков эукариот. Другие аспекты функционирования рибосом, включая инициацию синтеза белка, элонгацию белковой цепи и стадию терминации, аналогичны таковым у эукариот. Наконец, результаты генетического анализа так называемых паралогичных генов (генов, которые образовались в результате удвоения одного гена у общего предка, а затем развивались разными эволюционными путями в разных группах потомков) показывают, что археи действительно ближайшие родственники эукариот. Таким образом, археи — это прокариоты, имеющие многие признаки эукариот. Они напоминают то связующее звено между эукариотами и бактериями, которое мы тщетно пытаемся найти
[51].
Как все это поможет нам описать LUСА? По-видимому, бактерии и археи разошлись от общего предка очень рано, возможно, 3,8 — 4 млрд лет назад. Мы предполагаем, что и те и другие сохранили какие-то признаки LUСА. Расчеты показывают, что эукариоты отделились от архей позже, возможно, от 2,5 до 3 млрд лет назад, поскольку у них гораздо больше общего с археями, чем с бактериями (см. рис. 10). Мы знаем, что эукариоты приобрели митохондрии и хлоропласты примерно 2 млрд лет назад за счет поглощения бактерий. Также нам известно, что часть бактериальных генов была включена в хромосомы эукариотических клеток. Но здесь мы возвращаемся к проблеме горизонтального переноса генов. Если эукариоты — результат слияния бактерий и архей, получается, что горизонтальный перенос генов происходит и между доменами. Если мы хотим нарисовать портрет LUСА, проводя сравнительный анализ разных доменов, можем ли мы быть уверены, что они не перемешаны полностью?
