یوکاریوت ها: داستان اجداد باستانی آن

گروه‌بندی سنتی اشکال حیات به پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها در سال 1977 مورد بازنگری قرار گرفت، زمانی که خصوصیات توالی rRNA نشان داد که آرکی‌ها (که در آن زمان «آرکه‌باکتری‌ها» نامیده می‌شد) «به همان اندازه که باکتری‌ها با یوکاریوت‌ها مرتبط هستند، با باکتری‌ها مرتبط هستند». به یوباکتری ها (شامل همه باکتری های معمولی)، باستانی ها و یوکاریوت ها. مسئله منشا یوکاریوت ها باقی ماند. در زمان مناسب، شواهدی به نفع تبار باستانی یوکاریوت ها شروع شد. جالب توجه این بود که باستان‌های آسگارد دارای چندین صد ژن پروتئین‌های امضای یوکاریوتی (ESPs) در ژنوم خود هستند. ESP ها نقش مهمی در توسعه اسکلت سلولی و ویژگی های ساختارهای سلولی پیچیده یوکاریوت ها دارند. در یک مطالعه پیشرو که در 21 دسامبر 2022 منتشر شد، محققان کشت موفقیت آمیز یک فرهنگ غنی شده باستانی گریزان آسگارد را گزارش کردند که آنها با استفاده از توموگرافی کرایو الکترونی تصویربرداری کردند. آنها مشاهده کردند که سلول های آسگارد در واقع دارای اسکلت سلولی پیچیده مبتنی بر اکتین هستند. این اولین شواهد مستقیم بصری از اصل و نسب باستانی یوکاریوت ها بود که گامی مهم در درک منشاء یوکاریوت ها بود.  

تا سال 1977، اشکال حیات روی زمین به دو دسته تقسیم می شدند یوکاریوت ها (اشکال پیچیده که با گنجاندن مواد ژنتیکی سلول در یک هسته کاملاً مشخص و وجود اسکلت سلولی مشخص می‌شوند) و پروکاریوت‌ها (اشکال زندگی ساده‌تر با مواد ژنتیکی در سیتوپلاسم بدون هسته مشخص، از جمله باکتری‌ها و باستان‌باکتری‌ها). تصور می شد که سلولی یوکاریوت ها حدود 2 میلیارد سال پیش، احتمالاً از پروکاریوت ها تکامل یافته است. اما، دقیقاً چگونه یوکاریوت ها منشأ گرفتند؟ اشکال حیات سلولی پیچیده چگونه با اشکال حیات سلولی ساده‌تر مرتبط هستند؟ این یک سوال باز بزرگ در زیست شناسی بود.  

پیشرفت‌های فن‌آوری در زیست‌شناسی مولکولی ژن و پروتئین، زمانی که در سال 1977، آرکی‌ها (که در آن زمان «آرکائ‌باکتری‌ها» نامیده می‌شد) به عمق این موضوع کمک کرد.به همان اندازه که باکتری ها با باکتری ها مرتبط هستند یوکاریوت ها".تمایز قبلی اشکال حیات به پروکاریوت ها و یوکاریوت ها بر اساس تفاوت های فنوتیپی در سطح اندامک های سلولی بود. در عوض، رابطه فیلوژنتیکی باید بر اساس یک مولکول با توزیع گسترده باشد. RNA ریبوزومی (rRNA) یکی از این مولکول‌های زیستی است که در تمام سیستم‌های خود-تکثیر شونده وجود دارد و توالی‌های آن با گذشت زمان بسیار کمی تغییر می‌کند. تجزیه و تحلیل بر اساس تعیین توالی rRNA، گروه بندی موجودات زنده را به یوباکتری ها (شامل همه باکتری های معمولی) ضروری می کند. archea، و یوکاریوت ها¹.  

متعاقباً، شواهدی مبنی بر ارتباط نزدیک‌تر بین باستان‌ها و یوکاریوت‌ها شروع به ظهور کردند. در سال 1983 مشخص شد که RNA پلیمرازهای وابسته به DNA آرکی و یوکاریوت ها از یک نوع هستند؛ هر دو ویژگی های ایمونوشیمیایی بسیار مشابهی را نشان می دهند و هر دو از یک ساختار اجدادی مشترک مشتق شده اند². بر اساس یک درخت فیلوژنتیک ترکیبی استنباط‌شده از یک جفت پروتئین، مطالعه دیگری که در سال 1989 منتشر شد، رابطه نزدیک‌تری را از باستان‌شناسی با یوکاریوت‌ها نسبت به یوباکتری‌ها نشان داد.³. در این زمان، منشا باستانی از یوکاریوت ها ایجاد شد، اما گونه‌های باستانی دقیق هنوز شناسایی و بررسی شوند.  

رشد در مطالعات ژنومی پس از موفقیت در پروژه ژنوم، پر کردن بسیار مورد نیاز این منطقه را فراهم کرد. بین سال‌های 2015-2020، چندین مطالعه نشان داد که آسگارد archea حامل ژن های خاص یوکاریوتی هستند. ژنوم آنها برای پروتئین هایی که مختص یوکاریوت ها در نظر گرفته می شوند غنی شده است. این مطالعات به وضوح باستان‌های آسگارد را به دلیل وجود صدها ژن پروتئین‌های امضای یوکاریوتی (ESP) در ژنوم آن‌ها، نزدیک‌ترین نزدیکی ژنتیکی به یوکاریوت را شناسایی کردند.  

گام بعدی تجسم فیزیکی ساختار زیرزمین داخلی باستان‌های آسگارد برای تایید نقش ESPها بود، زیرا به طور گسترده گفته می‌شود که ESPها نقش کلیدی در تشکیل ساختارهای سلولی پیچیده دارند. برای این کار، فرهنگ های بسیار غنی از این باستان مورد نیاز بود، اما آسگارد به عنوان گریزان و مرموز شناخته شده است. ایجاد مشکل در کشت به مقدار کافی برای مطالعه آنها در آزمایشگاه. طبق مطالعه ای که اخیراً در 21 دسامبر 2022 گزارش شده است، اکنون این مشکل برطرف شده است.  

محققان پس از شش سال کار سخت، تکنیک‌هایی را بداهه‌سازی کرده‌اند و با موفقیت در آزمایشگاه، یک فرهنگ بسیار غنی از «Candidatus Lokiarchaeum ossiferum'، یکی از اعضای شاخه آسگارد. این یک دستاورد قابل توجه بود، همچنین به این دلیل که محققان را قادر ساخت تا ساختارهای سلولی داخلی آسگارد را تجسم و مطالعه کنند.    

توموگرافی کرایو الکترونی برای تصویربرداری از فرهنگ غنی‌سازی استفاده شد. سلول های آسگارد دارای بدنه سلولی کوکوئیدی و شبکه ای از برآمدگی های شاخه ای بودند. ساختار سطح سلولی پیچیده بود. اسکلت سلولی در سراسر بدن سلول گسترش یافته است. رشته های دو رشته ای پیچ خورده شامل لوکیاکتین (یعنی همولوگ های اکتین کدگذاری شده توسط Lokiarchaeota) هستند. بنابراین، سلول های آسگارد دارای اسکلت سلولی پیچیده مبتنی بر اکتین بودند، که محققان پیشنهاد می کنند، قبل از تکامل اولین یوکاریوت ها.  

به عنوان اولین شواهد فیزیکی/بصری ملموس از اجداد باستانی یوکاریوت ها، این یک پیشرفت قابل توجه در زیست شناسی است.

*** 

منابع:  

1. Woese CR و Fox GE، 1977. ساختار فیلوژنتیکی دامنه پروکاریوتی: پادشاهی های اولیه. منتشر شده در نوامبر 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. هوت، جی. و همکاران 1983. آرکی باکتری ها و یوکاریوت ها دارای RNA پلیمرازهای وابسته به DNA از نوع معمولی هستند. EMBO J. 2، 1291-1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. ایوابه، ن.، و همکاران 1989. رابطه تکاملی آرکی باکتری ها، یوباکتری ها و یوکاریوت ها استنباط شده از درختان فیلوژنتیک ژن های تکراری. Proc. Natl Acad. علمی USA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. رودریگز-الیویرا، تی. و همکاران. 2022. اسکلت سلولی اکتین و معماری سلولی پیچیده در باستانی آسگارد. تاریخ انتشار: 21 دسامبر 2022. طبیعت (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***