«Фагоцитоз является основным механизмом поглощения пищи многими одноклеточными организмами, и он жизненно важен для иммунной защиты ряда живых существ, включая людей», — сказал соавтор Юнсу Ким, младший куратор Американского музея естественной истории. Отдел зоологии беспозвоночных. «Но менее известна идея о том, что фагоцитоз возник примерно от 2 до 3 миллиардов лет и сыграл роль в тех симбиотических ассоциациях, которые, вероятно, начали каскадную эволюцию к более разнообразной и сложной жизни, которую мы видим на планете сегодня.
Наши исследования дают некоторые подсказки. относительно того, как впервые возник фагоцитоз ».Прокариоты, группа, в которую входят бактерии и археи, представляют собой микроскопические, в основном одноклеточные организмы с относительно простой внутренней структурой.
Эукариоты, группа, в которую входят животные, растения, грибы и простейшие (представляющие сообщества различных, не связанных между собой линий, таких как амебозойные и зеленые водоросли), обычно имеют более крупные клетки, которые заполнены рядом внутренних компонентов, включая ядро, в котором находится ДНК. хранимые и генерирующие энергию органеллы, называемые митохондриями. Научная теория гласит, что примерно от 2 до 3 миллиардов лет назад одна бактерия слилась с неродственным прокариотическим микробом, что привело к эволюции митохондрий — ключевой особенности эукариотических клеток. Это слияние произошло только однажды, и некоторые ученые предполагают, что в этом процессе участвовало клеточное «поглощение». Однако сегодня нет известных прокариот, способных к фагоцитозу.
Итак, при каких обстоятельствах возникла эта черта?Чтобы исследовать этот давний вопрос, группа исследователей использовала генетические закономерности, общие для фагоцитарных клеток, для создания вычислительной модели, которая использует машинное обучение для прогнозирования того, питается ли организм посредством фагоцитоза.«Не существует единого набора генов, которые бы точно предсказывали фагоцитоз, потому что это очень сложный процесс, который может включать более 1000 генов, и эти гены могут сильно различаться от вида к виду», — сказал ведущий автор Джон Бернс, научный сотрудник Музей сравнительной геномики им. Саклера ". Но когда мы начали изучать геномы все большего и большего числа эукариот, возникла генетическая модель, которая существует во всем разнообразии, хотя и немного отличается у каждого вида.
Эта модель является ядром нашей модели. , и мы можем использовать его, чтобы очень быстро и эффективно предсказать, какие клетки могут быть «пожирателями», а какие нет ».Поскольку многие эукариоты, такие как некоторые зеленые водоросли, могут быть «разборчивыми» — есть только при определенных условиях, — может быть трудно определить, способны ли они к фагоцитозу, просто наблюдая за ними под микроскопом. Эта новая модель может помочь микробиологам сделать быструю оценку, а также может оказаться полезной для использования в крупных проектах по секвенированию ДНК, в которых задействованы несколько неизвестных видов микробов, например, при исследовании образцов морской воды.Исследователи применили эту модель к группе «эукариотоподобных» микробов, называемых архей Асгарда.
В последние годы некоторые исследователи предположили, что микробы Асгарда могут быть живыми родственниками долгожданных микробов, которые слились с бактерией, которая стала митохондриями. Но новая работа исследователей показывает, что эти микробы, скорее всего, не используют фагоцитоз. Они также использовали набор генов, разработанный в рамках процесса построения модели, чтобы более внимательно изучить древние линии архей и бактерий, и обнаружили, что в целом ни одна из групп не имеет генов, необходимых для фагоцитоза. Хотя новая работа устраняет один сценарий рождения митрохондрий — архей Асгарда поглотила бактерии — остается много других вариантов.
«Когда вы разбираете компоненты этих прогностических генов, некоторые из них имеют корни в архее, некоторые — в бактериях, а некоторые являются уникальными только для эукариот», — сказал Ким. «Наши данные согласуются с гипотезой о том, что наши клетки представляют собой химеру из архейных и бактериальных компонентов, и что процесс фагоцитоза возник только после того, как это сочетание произошло. Нам еще предстоит много работы в этой области».
Александрос Питтис, бывший научный сотрудник Института сравнительной геномики им. Саклера при Музее, также был автором этого исследования.
Работа частично поддержана Фондом Саймонса, грант № SF-382790.