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Die Macken der Evolution: die Entdeckung eines Organismus, der ohne Sauerstoff lebt



Die Flora und Fauna unseres Planeten ist unglaublich reich an einer Vielzahl von Organismen, von denen jeder seine eigenen einzigartigen Eigenschaften hat. Trotz der unendlichen Anzahl von Unterschieden gibt es immer einige gemeinsame Evolutionsregeln für alle. Eine solche Regel ist der Bedarf an Sauerstoff. Natürlich haben Pilze, Amöben oder Ciliaten im Laufe der Zeit die Fähigkeit zum Atmen verloren, aber dies sind nur Ausnahmen, die die Regel bestätigen. Früher wurde angenommen, dass die aerobe Atmung allen Tierarten eigen ist, aber dies ist nicht ganz richtig. Wissenschaftler der Universität Tel Aviv (Israel) machten eine erstaunliche Entdeckung - den Parasiten Henneguya salminicoladas lebt im Muskelgewebe des Lachses, der keinen Sauerstoff benötigt. Welche Informationen wurden während der Untersuchung der neuen Art erhalten und welche Unterschiede wurden in ihren Geninformationen festgestellt? Dies erfahren wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Gehen.

Studienbasis


Jedes Merkmal eines lebenden Organismus kann mit seiner Umgebung und den Bedingungen, unter denen seine Entwicklung stattgefunden hat, in Verbindung gebracht werden. Die aerobe Atmung ist der Schnittpunkt vieler eukaryotischer Arten. Es gibt jedoch mehrere einzellige Linien, die diese Fähigkeit aufgrund ihres Lebensraums in einer hypoxischen Umgebung verloren haben.

Wenn wir die Organismen aerober Kreaturen in Bezug auf Zellen betrachten, sind die Mitochondrien die wichtigsten. Diese zweigliedrige kugelförmige oder ellipsoide Organelle mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1 μm ist eine Art Kraftwerk, das die Oxidation organischer Verbindungen durchführt. Dadurch wird Energie erzeugt, die dann zur Erzeugung des elektrischen Potentials, der Thermogenese und der Synthese von Adenosintriphosphat (ATP, eine Energiequelle für biochemische Prozesse) verwendet wird.

Wenn sich im Lebensraum kein Sauerstoff befindet und der Körper sich dazu entwickelt hat, darauf zu verzichten, verlieren die Mitochondrien teilweise oder vollständig ihr Genom und verwandeln sich in mitochondrienähnliche Organellen (MROs, Mitochondrien-verwandte Organellen ).

Die Forscher stellen fest, dass das Problem des Vorhandenseins dieser MROs bei Tieren in der wissenschaftlichen Gemeinschaft seit langem zu Kontroversen geführt hat. Einige hielten dies für unmöglich, während andere vom Gegenteil überzeugt waren, aber keine materiellen Beweise für ihre Theorien hatten. Mit der Eröffnung von Henneguya salminicola wird die Debatte jedoch nicht so heftig sein.


Bild Nr. 1: Phylogenetische Beziehungen von Eukaryoten, die von der Supermatrix aus 9490 Aminosäurepositionen für 78 Arten stammen. Arten, die ihre aerobe Atmung verloren haben, sind fett und mit einem Sternchen gekennzeichnet.

Einer der Hauptunterschiede zwischen MRO und konventionellen Mitochondrien ist das Fehlen im ersten Kristall * * , die durch Hydrogenosomen * und Mitosomen * ersetzt werden .
Krista * - Falten der inneren Membran der Mitochondrien.
Hydrogenosomen * - eine geschlossene Membranorganelle einiger einzelliger anaerober Organismen (ohne Sauerstoff) wie Ciliaten, Trichomonaden und Pilze.
Mitosomen * - Organellen einiger einzelliger anaerober Organismen (ohne Sauerstoff). Höchstwahrscheinlich sind Mitosomen an der Synthese von Fe-S-Clustern (Eisen-Schwefel) beteiligt, Daten zu diesen Organellen sind jedoch noch rar.
In der Studie, die wir heute untersuchen, haben Wissenschaftler gezeigt, dass der myxosoische Parasit ( Cnidaria ) während der Evolution sowohl sein mitochondriales Genom als auch seine aeroben Stoffwechselwege verloren hat und diese durch eine neue Art von anaerober MRO ersetzt hat.

Die wichtigsten Versuchspersonen in dieser Studie waren Vertreter von Myxozoa (Myxozoikum), einer Klasse von parasitären Wirbellosen vom kriechenden Typ ( Cnidaria ). Myxozoen- Mitochondrien haben sehr unterschiedliche Genomstrukturen mit großen mehrteiligen Ring-Mitochondrien-Chromosomen und ungewöhnlich hohen Evolutionsraten. Zwei eng verwandte Arten wurden für die Analyse ausgewählt - Henneguya salminicola und Myxobolus squamalisdie beide in Salmoniden parasitieren.

Forschungsergebnisse


Vor der eigentlichen Analyse wurden Transkriptome und Genome beider Arten gesammelt. Phylogenetische Analysen basierend auf 78 Genen, die ein ribosomales Kernprotein in Taxa codieren, die die eukaryotische Diversität darstellen, haben bestätigt, dass sequenzierte Organismen eng verwandte Myxozoen sind.

Die Bewertung der Assemblierungsqualität des Genoms zeigte, dass H. salminicola eine vollständigere Assemblierung mit höherer Abdeckung und besser vorhersagbaren Proteinsequenzen aufweist als M. squamalis (Tabelle Nr. 1).


Tabelle Nr. 1: Bewertung der Qualität der Zusammenstellung des Genoms der untersuchten und repräsentativen Spezies.

Durch gezielte Suche in den Genomen wurden 75/78 Gene von ribosomalen Kernproteinen identifiziert, was darauf hindeutet, dass die Vollständigkeit für beide Arten> 90% beträgt. Schätzungen der Vollständigkeit des Genoms unter Verwendung der CEGMA-Methode (Basic Eukaryotic Gen Mapping) ergaben jedoch nur 53,6% der wichtigsten eukaryotischen Gene für H. salminicola und 37,5% für M. squamalis .

Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass es die hohe Evolutionsrate war, die die Fähigkeit zum Nachweis vieler gängiger eukaryotischer Gene verringerte.

Die Analyse des mitochondrialen Genoms (im Folgenden mt ) zeigte bemerkenswerte Unterschiede zwischen den beiden betrachteten Arten. Das zirkuläre mt- Genom wurde erfolgreich für M. squamalis wiederhergestelltbestehend aus einem Chromosom, das nach der phylogenetischen Analyse mixozoal war. Wie bei anderen myxozoischen Spezies fehlten im mt- Genom von M. squamalis tRNAs , und die Geschwindigkeit ihrer Entwicklung war ziemlich hoch.

Die Situation bei H. salminicola ist umgekehrt, da die mt- Sequenz trotz der im Vergleich zu M. squamalis noch höheren Qualität dieser Anordnung nicht identifiziert werden konnte .

Um das Vorhandensein / Fehlen von DNA in myxozoischen Mitochondrien zu bestimmen, färbten die Wissenschaftler die lebenden mehrzelligen Entwicklungsstadien von M. squamalis und H. salminicola unter Verwendung von DAPI (Fluoreszenzfarbstoff 4 ', 6-Diamidino-2-phenylindol).


Bild 2: Mikroskopische Aufnahmen, die das Fehlen von Mitochondrien bei H. salminicola zeigen. M. squamalis-

Zellen zeigten eine charakteristische eukaryotische Färbung sowohl der Kerne als auch der Mitochondrien ( 2A ), während H. salminicola nur eine Kernfärbung zeigte ( 2B ). Mikroskopische Ergebnisse bestätigten, dass das mt- Genom in H. salminicola fehlt . Mitochondrienartige Zwei-Membran-Organellen mit Kristallen wurden jedoch auch in H. salminicola ( 2C ) und sogar in M. squamalis nachgewiesen

. Dementsprechend wurden Gene, die an der Organisation von Kristallen beteiligt sind, auch im Genom beider Arten gefunden, insbesondere DNAJC11 und MTX1.

Die Gesamtheit dieser Daten bestätigt, dass die untersuchten Arten MRO ohne das Mitochondriengenom aufweisen, es jedoch Kristalle gibt.

Die Forscher erinnern sich, dass bei Tieren der größte Teil der Proteom * Mitochondrien im Zellkern kodiert ist.
Proteom * - eine Reihe von Proteinen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt von einem Genom, einer Zelle, einem Gewebe oder einem Organismus exprimiert werden.
Vor diesem Hintergrund wurden 51 Gene in H. salminicola und 57 Gene in M. squamalis identifiziert, die an wichtigen Stoffwechselwegen der Mitochondrien beteiligt sind (z. B. Metabolismus von Aminosäuren, Kohlenhydraten oder Nukleotiden).


Bild 3: Vergleich zwischen den in typischen aeroben Mitochondrien ( A ) und H. salminicola MRO ( B ) vorhandenen Pfaden .

Dies legt nahe, dass die MRO von H. salminicola immer noch eine Vielzahl von Stoffwechselfunktionen ausführt, die den Mitochondrien von M. squamalis ähnlich sind .

Im Gegensatz dazu fehlten fast alle kernkodierten Proteine, die an der Replikation und Translation des mt- Genoms beteiligt waren, im Genom von H. salminicola. Unter Verwendung der Datenbank 118 solcher kernkodierten Gene von Drosophila (Fruchtfliege), die in der Lage sind, 41 bis 58 homologe Gene mt in M. squamalis zu bestimmen , wurden jedoch nur sechs dieser Gene in H. salminicola gefunden .

Es ist erwähnenswert, dass die Gamma-1-DNA-Polymerase des mt- Gens in der Spezies H. salminicola ein Pseudogen ist, da sie drei Punktmutationen enthält, die vorzeitige Stoppcodons * erzeugen .
Stopcodon * - eine Einheit des genetischen Codes, der für die Beendigung der Translation (Synthese der Polypeptidkette) kodiert.
Darüber hinaus wird dieses Gen nicht in H. salminicola exprimiert und ist in der H. salminicola- Transkriptomassemblierung nicht vorhanden , wohingegen homologe Contigs * in allen anderen myxozoischen Transkriptomen * identifiziert wurden .
Kontig * ist eine Gruppe mehrerer in Reihe geschalteter DNA-Schnitte.
Das Vorhandensein einer pseudogenen Kopie dieser Polymerase ist ein Beweis für mehrere zuvor geäußerte Theorien und Beobachtungen. Erstens bestätigt dies die Theorie, dass H. salminicola seine mt- DNA verloren hat, weil es keinen Mechanismus für seine Replikation hat. Zweitens beweist dies, dass das Fehlen von Proteinhomologen in dieser Spezies das Ergebnis einer Pseudogenisierung und kein Assemblierungsfehler ist.

Natürlich hat der Verlust des mitochondrialen Genoms einen direkten Einfluss auf das Atmungsformat des Körpers, da tierische Mitochondrien wichtige Proteine ​​der Elektronentransferkette codieren. Um zu überprüfen, ob der Verlust des mt- Genoms einen Verlust der aeroben Atmung bei H. salminicola bedeuteteDie Wissenschaftler begannen mit der Suche nach Homologen der bekannten Drosophila-Kerngene, die normalerweise für 100 Proteine ​​aus Komplexen der mt- Elektronentransportkette kodieren .

Eine Suche ergab nur sieben dieser Proteine ​​in H. salminicola , während das andere Myxozoikum etwa 18-25 Jahre alt war. Insbesondere fehlen in H. salminicola ( 3B ) alle Genkomplexe (I, III und IV), die in anderen myxozoischen Spezies nachgewiesen wurden, oder werden als Pseudogene dargestellt.

Da der Komplex IV mit O 2 -Molekülen interagiert , kann dies bedeuten, dass H. salminicola möglicherweise nicht in der Lage ist, eine standardmäßige zelluläre aerobe Atmung durchzuführen .

Zusätzlich zu den Komplexen I, III und IV, die für den Durchgang von Protonen in den mitochondrialen Intermembranraum verantwortlich sind, wurde auch der für die ATP-Synthese verantwortliche Komplex V in H. salminicola nicht nachgewiesen.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Epilog


In dieser Studie wurden die ersten Daten zu den genetischen Eigenschaften einer Kreatur gesammelt, die offenbar ohne aerobe Atmung leben kann. Was früher als integraler Bestandteil der Tierwelt galt, war für einige ihrer Vertreter nicht so wichtig.

Die Autoren dieser Entdeckung stellen fest, dass die Evolution normalerweise von einfach zu komplex verläuft, bei H. salminicola jedoch die gegenteilige Situation beobachtet wird. Das Leben in einer sauerstofffreien Umgebung zwang diesen Organismus, die unnötigeren Gene zu verlieren, die für die aerobe Atmung verantwortlich sind, was ihn zu einem einfacheren Organismus machte.

Es bleibt natürlich unklar, wie genau sich der parasitäre Organismus der Art H. salminicola entwickelt hat.Welche Umstände zwangen ihn genau, seine Mitochondrien zu verlieren und tatsächlich auf Sauerstoff zu verzichten, und warum genau eine solche Variante von Veränderungen auftrat. Wissenschaftler beabsichtigen, diese Themen in ihrer zukünftigen Forschung zu berücksichtigen.

Wie dem auch sei, diese Entdeckung ist wirklich einzigartig, da sie erneut bestätigt, dass die Natur uns noch etwas zu überraschen hat. In einigen seltenen Fällen werden allgemein anerkannte Gesetze und Normen verletzt, die zuvor als unerschütterlich galten. Dies ist einerseits überraschend, andererseits wird es durchaus erwartet. Was kann man sonst noch von der Evolution erwarten, die aus einer chaotischen Primärbrühe eine so komplexe und wunderschöne Flora und Fauna hervorgebracht hat, die uns jeden Tag umgibt?

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und wünschen Sie allen ein schönes Wochenende! :) :)

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