Eukaryoten: Geschichte ihrer archaealen Vorfahren

Die traditionelle Gruppierung von Lebensformen in Prokaryoten und Eukaryoten wurde 1977 revidiert, als die Charakterisierung der rRNA-Sequenz ergab, dass Archaeen (damals als „Archaebakterien“ bezeichnet) „so entfernt mit Bakterien verwandt sind wie Bakterien mit Eukaryoten“. Dies erforderte die Gruppierung lebender Organismen in Eubakterien (umfasst alle typischen Bakterien), Archaeen und Eukaryoten. Die Frage nach der Herkunft der Eukaryoten blieb. Zu gegebener Zeit begannen sich Beweise zugunsten der archaischen Abstammung von Eukaryoten zu sammeln. Von besonderem Interesse war der Befund, dass Asgard-Archaeen mehrere hundert Gene für eukaryotische Signaturproteine ​​(ESPs) in ihrem Genom haben. ESPs spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Zytoskeletts und komplexer Zellstrukturen, die für Eukaryoten charakteristisch sind. In einer am 21. Dezember 2022 veröffentlichten bahnbrechenden Studie haben Forscher über die erfolgreiche Kultivierung einer angereicherten Kultur schwer fassbarer Asgard-Archaeen berichtet, die sie mit Kryo-Elektronentomographie abgebildet haben. Sie beobachteten, dass Asgard-Zellen tatsächlich ein komplexes Zytoskelett auf Aktinbasis hatten. Dies war der erste direkte sichtbare Beweis für die archaische Abstammung von Eukaryoten, ein bedeutender Schritt zum Verständnis des Ursprungs von Eukaryoten.  

Bis 1977 wurden die Lebensformen auf der Erde in Gruppen eingeteilt Eukaryoten (komplexe Formen, die durch den Einschluss von genetischem Material der Zelle in einen genau definierten Zellkern und das Vorhandensein eines Zytoskeletts gekennzeichnet sind) und Prokaryoten (einfachere Lebensformen mit genetischem Material im Zytoplasma ohne einen bestimmten Zellkern, einschließlich Bakterien und Archaebakterien). Es wurde angenommen, dass es zellular ist Eukaryoten entstand vor etwa 2 Milliarden Jahren, wahrscheinlich aus den Prokaryoten. Aber wie genau sind die Eukaryoten entstanden? Wie hängen die komplexen zellulären Lebensformen mit den einfacheren zellulären Lebensformen zusammen? Das war eine große offene Frage in der Biologie.  

Technologische Fortschritte in der Molekularbiologie von Genen und Proteinen trugen dazu bei, dem Kern des Problems auf den Grund zu gehen, als 1977 festgestellt wurde, dass Archaeen (damals als „Archaebakterien“ bezeichnet) „so weit entfernt mit Bakterien verwandt, wie Bakterien es sind Eukaryoten. "„Die frühere Unterscheidung von Lebensformen in Prokaryoten und Eukaryoten basierte auf phänotypischen Unterschieden auf der Ebene der Zellorganellen. Die phylogenetische Verwandtschaft sollte stattdessen auf einem weit verbreiteten Molekül basieren. Ribosomale RNA (rRNA) ist ein solches Biomolekül, das in allen selbstreplizierenden Systemen vorhanden ist und dessen Sequenzen sich im Laufe der Zeit nur sehr wenig ändern. Die auf der Charakterisierung der rRNA-Sequenz basierende Analyse erforderte die Gruppierung lebender Organismen in Eubakterien (die alle typischen Bakterien umfassen). Archaeaund Eukaryoten¹.  

Anschließend tauchten Hinweise auf eine engere Beziehung zwischen Archaeen und Eukaryoten auf. 1983 wurde festgestellt, dass DNA-abhängige RNA-Polymerasen von Archaeen und Eukaryoten sind vom gleichen Typ; beide weisen auffallend ähnliche immunchemische Eigenschaften auf und beide leiten sich von einer gemeinsamen Vorfahrenstruktur ab². Basierend auf einem abgeleiteten zusammengesetzten phylogenetischen Baum eines Proteinpaares enthüllte eine andere 1989 veröffentlichte Studie eine engere Beziehung von Archaeen zu Eukaryoten als zu Eubakterien³. Zu diesem Zeitpunkt ist der archaische Ursprung von Eukaryoten wurde festgestellt, aber die genauen archaischen Arten müssen noch identifiziert und untersucht werden.  

Wachstum bei Genomstudien nach Erfolg in Genomprojekt, sorgte für den dringend benötigten Aufschwung in diesem Bereich. Zwischen 2015 und 2020 ergaben mehrere Studien, dass Asgard Archaea tragen Eukaryoten-spezifische Gene. Ihre Genome sind mit Proteinen angereichert, die als spezifisch für Eukaryoten gelten. Diese Studien ergaben eindeutig, dass Asgard-Archaeen aufgrund des Vorhandenseins von Hunderten von Genen für eukaryotische Signaturproteine ​​(ESPs) in ihrem Genom die größte genetische Nähe zum Eukaryoten haben.  

Der nächste Schritt war die physische Visualisierung der inneren Kellerstruktur der Asgard-Archaeen, um die Rolle von ESPs zu bestätigen, da allgemein angenommen wird, dass ESPs eine Schlüsselrolle bei der Bildung komplexer Zellstrukturen spielen. Dafür wurden hochangereicherte Kulturen dieser Archaeen benötigt, aber Asgard ist als schwer fassbar und mysteriös bekannt. was Schwierigkeiten bei der Kultivierung in ausreichend großen Mengen verursacht, um sie in einem Labor zu untersuchen. Laut einer kürzlich am 21. Dezember 2022 veröffentlichten Studie ist diese Schwierigkeit nun überwunden.  

Die Forscher haben nach sechs Jahren harter Arbeit Techniken improvisiert und erfolgreich im Labor eine hochgradig bereicherte Kultur von 'Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', ein Mitglied des Asgard-Stammes. Dies war eine bemerkenswerte Leistung, auch weil dies den Forschern ermöglichte, die inneren Zellstrukturen von Asgard zu visualisieren und zu untersuchen.    

Zur Abbildung der Anreicherungskultur wurde Kryo-Elektronentomographie eingesetzt. Die Asgard-Zellen hatten kokkoide Zellkörper und ein Netzwerk verzweigter Vorsprünge. Die Zelloberflächenstruktur war komplex. Das Zytoskelett erstreckte sich über den gesamten Zellkörper. Die verdrillten doppelsträngigen Filamente bestehen aus Lokiactin (nämlich Aktinhomologe, die von Lokiarchaeota kodiert werden). Somit verfügten Asgard-Zellen über ein komplexes Aktin-basiertes Zytoskelett, das den Forschern zufolge vor der Evolution der ersten Zellen existierte Eukaryoten.  

Als erster konkreter physischer/visueller Beweis für die archaeale Abstammung von Eukaryoten ist dies ein bemerkenswerter Fortschritt in der Biologie.

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References:  

1. Woese CR und Fox GE, 1977. Phylogenetische Struktur der prokaryotischen Domäne: Die primären Reiche. Veröffentlicht November 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Hut, J., et al 1983. Archaebakterien und Eukaryoten besitzen DNA-abhängige RNA-Polymerasen eines gemeinsamen Typs. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Iwabe, N., et al 1989. Evolutionäre Beziehung von Archaebakterien, Eubakterien und Eukaryoten, abgeleitet aus phylogenetischen Stammbäumen duplizierter Gene. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Rodrigues-Oliveira, T., et al. 2022. Aktin-Zytoskelett und komplexe Zellarchitektur in einem Asgard-Archaeon. Veröffentlicht: 21. Dezember 2022. Natur (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

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