Vanhoja juttuja
Niin ne jo alkavat tulla tutuiksi, vähitellen. Esi-isämme, nimittäin. Eukaryoottien, eli tumallisten solujen alkuperä on ollut tieteelle suuri ja haasteellinen kysymys. Tutkijat ovat kuitenkin viime aikoina löytäneet ja tunnistaneet jo aika paljon jäämistöä mitä nuo varhaiset esi-isämme ovat jättäneet jälkeensä. Tuo jäämistö aukenee vain asiaan vihkiytyneille fylogeneetikoille, ja se muodostuu sellaisista geeneistä ja proteiineista jotka selvästi ovat tyypillisiä vain meille tumallisille eliöille. Näitä geenituotteita on kutsuttu ”eukaryootti-spesifisiksi proteiineiksi” (ESP), siitä ilmeisestä syystä, että niitä ei ole tavattu missään esitumallisissa eliöissä; tämä tarkoittaa, niitä ei ole tähän mennessä tavattu bakteereissa tai arkeoneissa. Ne kuitenkin esiintyvät kaikissa eukaryooteissa, ja ovat siis yhtä vanhoja kuin eukaryootit itsekin ovat. Nyt nämä tärkeät muinaissmuistogeenit alkavat kertoa tarinaa siitä mistä olemme polveutuneet.
Geenien ja genonien perusteella on ollut jo hyvän aikaa selvää että eukaryoottien keskeisen lisääntymis- ja proteiinisynteesitoiminnat ovat samaa alkuperää kuin arkeoneilla. Toisaalta, eukaryoottisolujen sisällä olevat mitokondriot ovat alunperin olleet, selvästistikin, itsenäisiä bakteereita. Tästä voidaan päätellä että tumallisten eliöiden linja on syntynyt siten että happea hengittävä proteobakteeri on tullut sisälle ja asettunut elämään arkeonisukuisen ”esi-eliön” sisällä, ja nämä molemmat komponentit ovat tuoneet omia ominaisuuksiaan uuden yhdistelmä-lajin geneettiseen repertuaariin. Mutta ongelmana on ollut se, että mistä ovat tulleet ne lukuisat eukaryoottien ”omat” ESP-geenit. Monet näistä geeneistä ovat olleet oleellisen tärkeitä eukaryoottien kehitykselle, sillä ne koodaavat mm. solujen jakaantumiseen ja tukirankaan liittyviä proteiineja (mm. tubuliinia ja aktiinia), vesikkelien muodostumiseen ja proteiinien kuljetusjärjestelmiin liittyviä proteiineita (mm. erilaisia ESCRT-proteiineita), proteinien hajotuksen liittyviä proteiineita (ubiquitin), kalvojen kaareutumiseen ja proteiinien kuljetusjärjestelmiin liittyviä proteiineita (RLC, TRAPP ja Sec23/24 proteiineja), ja lukuisia muita.
Pari vuotta sitten Thijs Etteman tutkimusryhmä Uppsalan yliopistosta julkaisi löydöksen: he olivat tunnistaneet joitakin ESP-geenien tyyppisiä geenisekvenssejä arkeoni-materiaalista, jonka he olivat sekvensoineet suoraan Atlantin pohjan sedimenteistä, Loki-linnaksi kutsutun merenpohjan savuttaja-alueelta. Löytöpaikkansa mukaan sieltä löydetty arkeoni-pääjakso sai nimekseen Lokiarkeota (Spang et al. 2015. Nature 521: 173-179).
Nyt tämä sama tutkimusryhmä on tutkinut lisää näytteitä Loki-linnan pohjasedimenteistä, ja löytänyt sieltä lisää Lokiarkeota variantteja. He ovat sekvenoineet näytteitä myös useista hyvin erilaisista ympäristöistä ympäri maailmaa – mm. useista kuumista lähteistä, vesialtaista Colorado joessa, White River suistoalueelta ja Århusin lahden pohjalta. Näistä on löytynyt lisää arkeonisekvenssejä, jotka nekin kantavat useita edellä mainittuja ESP geenejä (Zaremba-Niedwiedzka ym. 2017, Nature 541:353-358). Nämä arkeoni-kaverit ovat siis selvästikin – jos ei nyt ihan pikkuserkkujamme, niin kaukaista sukua kuitenkin!
Nämä löydetyt arkeonit ovat kaukaista sukua keskenään ja jakaantuvat erillisiin pääjaksoihin, eli phylumeihin. Löytäjät ovat nimenneet uudet löydökset nimillä Odinarkeota, Thorarkeota ja Heimdallarkeota; näistä viimeisimmän geenit ovat läheisintä sukua eukaryooteille. Lokiarkeotan kanssa ne yhdessä muodostavat Asgard –nimisen arkkeonien haaran. Ja nythän nämä alkavatkin jo kuulostaa hiukan tutuille: ne kaikki ovat pohjoismaisen mytologian jumaluuksia joita yhdistää Asgård ”kotipaikka”.
Eukaryoottilinja – tai päähaara – on lähtenyt kehittymään noin 2 miljardia vuotta sitten sellaisesta arkeoni-tyyppisestä lajista, jolla oli olemassa jo kaikki nuo erityiset ESP geenit. Myös kaikki Asgard-arkeonit ovat tämän saman yhteisen esi-isän jälkeläisiä, mutta ne ovat kehittyneet eri suuntiin, yksinkertaistumalla. Yhteisten geenien kokoelma kertoo siitä että yhteinen esi-isä oli jo varsin monimutkainen. Se linja joka sai sisäänsä energiaa tuottavan mitokondrion, se pystyi kehittymään yhä suuremmaksi ja vahvemmaksi, ja ylivoimaisen monipuoliseksi.
Ovatko eukaryoottisolujen sisälle tulleet mitokondriot siis nimenomaan ollet alunperin itsenäisiä bakteereja, eivätkä siis esimerkiksi viruksia? Aiemmassa blogissasi oli kuinka virus menee bakteerin sisälle ja muuttaa sen lisääntymisalustakseen. Onkohan proteobakteeri mennyt esiarkeonin sisään samasta syystä? (Vai onko esiarkeoni vain syönyt sen?)
… jees, tuo eukaryoottien mitokondrio-soluelin on ollut alunprin vapaana elävä bakteeri. Sitten esi-eukaryootti on ottanut sen sisäänsä mekanismilla jota kutsutaan ”fagosytoosiksi” – tavallaan, se on syönyt sen. Mutta sitten kävi niin ettei se pystynytkään sulattelemaan sitä, vaan tuo sitkeä bakteeri jäi elämään eukaryoottisolun sisään. Ei voida sanoa että bakteeri olisi mennyt sinne lisääntyäkseen – koska se ei lissäntynyt, ainakaan merkittävästi – tai no jaa, solujen sisällä on kyllä aika monia mitokondrioita, mutta eivät ne mitenkään hallitsemattomasti lisäänny. Paremminkin nämä kaksi solua ovat asettuneet hyvään sopuun ja yhteistyöhön keskenään.
”Tumallisten eliöiden linja on syntynyt siten että happea hengittävä proteobakteeri on tullut sisälle ja asettunut elämään arkeonisukuisen ”esi-eliön” sisällä, ja nämä molemmat komponentit ovat tuoneet omia ominaisuuksiaan uuden yhdistelmä-lajin geneettiseen repertuaariin”
Tätä voisi leikillisesti sanoa horisontaalin geeninsiirron maksimiksi. Kiinnostava ongelma on myös se, mihin Kirsikin viittaa, eri mikrobien tai niiden osien kyky horisontaalin geeninsiirron tai muun yhtymisen tuloksena alkaa sopusointuisasti toimia yhdessä. Uusi, mielestäni mullistava tutkimustulos saattaa luoda valoa tähän kysymykseen. Geeneillä tai geenikollektiiveilla on nimittäin merkillinen kyky muunnella säätelytekijöitään seuraavassa kerrotulla tavalla:
http://www.verkkouutiset.fi/kotimaa/bakteeri_evoluutiomekanismi-27051
”Tuoreessa tutkimuksessa osoitettiin, että bakteerien geenit voivat siirtyä nopeasti yhdestä säätelytavasta toiseen korvaamalla oman säätelytekijänsä jollakin täysin eri perimäkantaa edustavan geenin tekijällä.”
”Osoitettiin lisäksi, että bakteereilla on kyky poimia ympäristöstään vaihtoehtoisia säätelytekijöitä genominlaajuisesti. Tällä kyvyllä on merkittävää vaikutusta geenien ilmenemiseen, ja sitä kautta bakteerien mahdollisuuksiin sopeutua elinolosuhteiden muutoksiin.”
Tärkeä puoli ongelmassa ei kuitenkaan ole tällä ratkaistu. Voidaan nimittäin edelleen kysyä, mikä tekijä tai ominaisuus elollisessa systeemissä saa aikaan niinkin oleellisiin muutoksiin johtavan sopeutumistarpeen
Kyllä tämä mikrobien geneettisen muuntelun ja sopeutumisen potentiaali on valtavan suuri. Onhan niillä paljonkin erilaisia DNA-korjailu ja rekombinointimahdollisuuksia olemassa, mm. se nyt paljon puhuttu CRISP-CAS systeemi tulee bakteerreilta. Mutta että ne osaisivat valita toisten lajien DNAasta itselleen sopivia säätelyalueita — se on tosi hämmästyttävää. Miten ne voivat tunnistaa niitä, tai miten ne voivat tietää että ne niitä tarvitsisivat (vanha vertaus: yhtä vähän kuin kala tietää tarvitsevansa polkupyörää). Nimittäin, käsittääkseni: mitkään lajit, koskaan, eivät pysty itse suunnittelmaan omaa evoluutiotaan. Ne vain sitten sattumalta säilyvät, jos ne sattamalta tekevät oikean suuntaisen sopeutumsireaktion. Tämä on vaikea kysymys.