Get best of the week

Keanehan evolusi: penemuan organisme yang hidup tanpa oksigen



Flora dan fauna di planet kita sangat kaya akan beragam organisme, masing-masing memiliki karakteristik uniknya sendiri. Namun demikian, terlepas dari jumlah perbedaan yang tak terbatas, selalu ada beberapa aturan evolusi umum untuk semua orang. Salah satu aturan tersebut adalah kebutuhan akan oksigen. Tentu saja, jamur, amuba, atau ciliates dari waktu ke waktu telah kehilangan kemampuan untuk bernapas, tetapi ini hanya pengecualian yang menegaskan aturan tersebut. Sebelumnya diyakini bahwa respirasi aerobik melekat pada semua spesies hewan, tetapi ini tidak sepenuhnya benar. Para ilmuwan dari Universitas Tel Aviv (Israel) membuat penemuan menakjubkan - parasit Henneguya salminicolayang hidup di jaringan otot salmon, yang tidak membutuhkan oksigen. Informasi apa yang diperoleh selama studi spesies baru dan perbedaan apa yang ditemukan dalam informasi gennya? Kami belajar tentang ini dari laporan para ilmuwan. Pergilah.

Dasar studi


Ciri-ciri organisme hidup apa pun dapat dikaitkan dengan lingkungannya dan kondisi di mana evolusinya berlangsung. Respirasi aerobik adalah titik persimpangan banyak spesies eukariotik, namun ada beberapa garis uniseluler yang telah kehilangan kemampuan ini karena habitatnya dalam lingkungan hipoksia.

Jika kita mempertimbangkan organisme makhluk aerob dalam hal sel, tetapi yang paling penting adalah mitokondria. Organel bulat atau elipsisidal beranggota dua ini dengan diameter urutan 1 μm adalah sejenis pembangkit listrik, yang menjalankan oksidasi senyawa organik. Sebagai akibatnya, energi dihasilkan, yang kemudian digunakan untuk menghasilkan potensial listrik, termogenesis, dan sintesis adenosin trifosfat (ATP, sumber energi untuk proses biokimia).

Jika tidak ada oksigen di habitatnya, dan tubuh telah berevolusi untuk melakukannya tanpanya, maka mitokondria kehilangan sebagian atau seluruhnya genomnya, berubah menjadi organel mirip mitokondria (MROs, organel yang terkait mitokondria ).

Para peneliti mencatat bahwa masalah kehadiran MRO ini pada hewan telah lama menimbulkan kontroversi di komunitas ilmiah. Beberapa menganggap ini tidak mungkin, sementara yang lain yakin sebaliknya, tetapi tidak memiliki bukti material dari teori mereka. Namun, dengan dibukanya Henneguya salminicola, perdebatan tidak akan begitu sengit.


Gambar No. 1: hubungan filogenetik eukariota yang berasal dari supermatrix dari 9490 posisi asam amino untuk 78 spesies. Spesies yang kehilangan respirasi aerobik ditandai dengan huruf tebal dan dengan tanda bintang.

Salah satu perbedaan utama antara MRO dan mitokondria konvensional adalah tidak adanya krista pertama * , yang digantikan oleh hidrogenosom * dan mitosom * .
Krista * - lipatan membran dalam mitokondria.
Hydrogenosomes * - organel membran tertutup dari beberapa organisme anaerob uniseluler (tidak menggunakan oksigen), seperti ciliata, trichomonad, dan jamur.
Mitosom * - organel dari beberapa organisme anaerob uniseluler (tidak menggunakan oksigen). Kemungkinan besar, mitosomes terlibat dalam sintesis kluster Fe - S (besi-sulfur), namun data pada organel ini masih langka.
Dalam penelitian yang kami teliti hari ini, para ilmuwan menunjukkan bahwa parasit myxosoic ( Cnidaria ) selama evolusi kehilangan genom mitokondria dan jalur metabolisme aerobiknya, menggantikannya dengan jenis baru MRO anaerob.

Subjek eksperimental utama dalam penelitian ini adalah perwakilan dari Myxozoa (myxozoic), kelas invertebrata parasit dari tipe creeping ( Cnidaria ). Mitokondria Myxozoa memiliki struktur genom yang sangat berbeda, dengan kromosom mitokondria cincin multi-bagian yang besar dan laju evolusi yang luar biasa tinggi. Dua spesies terkait erat dipilih untuk analisis - Henneguya salminicola dan Myxobolus squamalisyang keduanya parasit pada salmon.

Hasil penelitian


Sebelum analisis yang sebenarnya, transkriptom dan genom dari kedua spesies dikumpulkan. Analisis filogenetik berdasarkan 78 gen yang mengkode protein ribosom nuklir dalam taksa yang mewakili keragaman eukariotik telah mengkonfirmasi bahwa organisme yang telah diurutkan berhubungan erat dengan myxozoa.

Evaluasi kualitas rakitan genom menunjukkan bahwa H. salminicola memiliki rakitan yang lebih lengkap dengan cakupan yang lebih tinggi dan urutan protein yang lebih dapat diprediksi daripada M. squamalis (tabel No. 1).


Tabel No. 1: penilaian kualitas perakitan genom spesies yang diteliti dan representatif.

Pencarian yang ditargetkan dalam genom mengidentifikasi 75/78 gen protein ribosom nuklir, menunjukkan bahwa kelengkapannya> 90% untuk kedua spesies. Namun, perkiraan kelengkapan genom menggunakan metode pemetaan gen eukariotik dasar (CEGMA) hanya menghasilkan 53,6% dari gen eukariotik utama untuk H. salminicola dan 37,5% untuk M. squamalis .

Para ilmuwan telah menyarankan bahwa tingkat evolusi yang tinggilah yang mengurangi kemampuan untuk mendeteksi banyak gen eukariotik yang umum.

Analisis genom mitokondria (selanjutnya mt ) menunjukkan perbedaan mencolok antara kedua spesies yang sedang dipertimbangkan. Genom mt bundar berhasil dipulihkan untuk M. squamalis, terdiri dari satu kromosom, yang menurut analisis filogenetik adalah mixozoal. Seperti pada spesies myxozoic lainnya, tRNA tidak ada dalam genom mt M. squamalis , dan laju evolusi mereka cukup tinggi. Situasi

dengan H. salminicola adalah sebaliknya, karena tidak mungkin mengidentifikasi urutan mt , meskipun kualitas perakitan ini lebih tinggi dibandingkan dengan M. squamalis .

Selanjutnya, untuk menentukan ada / tidaknya DNA dalam mitokondria myxozoic, para ilmuwan mewarnai tahap pengembangan multiseluler hidup M. squamalis dan H. salminicola menggunakan DAPI (4 ', 6-diamidino-2-phenylindole fluorescent dye).


Gambar 2: Gambar mikroskopis menunjukkan tidak adanya mitokondria pada H. salminicola.

Sel M. squamalis menunjukkan pewarnaan eukariotik karakteristik dari nuklei dan mitokondria ( 2A ), sedangkan H. salminicola hanya menunjukkan pewarnaan nuklir ( 2B ).

Hasil mikroskopis mengkonfirmasi bahwa genom mt hilang pada H. salminicola . Namun, organel dua membran seperti mitokondria dengan krista juga terdeteksi pada H. salminicola ( 2C ) dan bahkan pada M. squamalis. Dengan demikian, gen yang terlibat dalam organisasi krista juga ditemukan dalam genom kedua spesies, khususnya DNAJC11 dan MTX1.

Totalitas data ini menegaskan bahwa spesies yang diperiksa menunjukkan MRO tanpa genom mitokondria, tetapi ada krista.

Peneliti ingat bahwa pada hewan, sebagian besar proteom * mitokondria dikodekan dalam nukleus.
Proteom * - satu set protein yang diekspresikan oleh genom, sel, jaringan atau organisme pada waktu tertentu.
Dengan mengingat hal ini , 51 gen diidentifikasi dalam H. salminicola dan 57 gen di M. squamalis yang terlibat dalam jalur metabolisme kunci mitokondria (mis., Metabolisme asam amino, karbohidrat atau nukleotida).


Gambar 3: Perbandingan antara jalur hadir dalam mitokondria aerobik khas ( A ) dan H. salminicola MRO ( B ).

Ini menunjukkan bahwa MRO H. salminicola masih melakukan berbagai fungsi metabolisme mirip dengan mitokondria M. squamalis .

Sebaliknya, hampir semua protein berkode nuklir yang terlibat dalam replikasi dan translasi gen mt tidak ada dalam genom H. salminicola. Dengan menggunakan basis data 118 dari gen-gen Drosophila (lalat buah) berkode nuklir seperti itu , dapat menentukan 41 hingga 58 gen homolog mt dalam M. squamalis , tetapi hanya enam gen ini telah ditemukan di H. salminicola .

Perlu dicatat bahwa gamma-1 DNA polimerase dari gen mt pada spesies H. salminicola adalah pseudogen karena mengandung tiga mutasi titik yang membuat kodon berhenti prematur * .
Hentikan kodon * - unit kode genetik yang menyandikan penghentian penerjemahan (sintesis rantai polipeptida).
Selain itu, gen ini tidak diekspresikan dalam H. salminicola dan tidak ada dalam majelis transkriptom H. salminicola , sedangkan contolog homolog * diidentifikasi dalam semua transkriptom Myxozoic lainnya * .
Kontig * adalah sekelompok beberapa bagian DNA yang terhubung seri.
Kehadiran salinan pseudogenik dari polimerase ini adalah bukti dari beberapa teori dan pengamatan yang diungkapkan sebelumnya. Pertama, ini menegaskan teori bahwa H. salminicola kehilangan DNA mt -nya karena tidak memiliki mekanisme replikasi. Kedua, ini membuktikan bahwa tidak adanya protein homolog dalam spesies ini adalah hasil dari pseudogenisasi, dan bukan kesalahan perakitan.

Secara alami, hilangnya genom mitokondria memiliki efek langsung pada format pernapasan tubuh, karena mitokondria hewan mengkode protein penting dari rantai transfer elektron. Untuk memeriksa apakah mt kerugian genom berarti hilangnya respirasi aerobik di H. salminicola, para ilmuwan mulai mencari homolog dari gen nuklir Drosophila yang diketahui, yang biasanya menyandikan 100 protein dari kompleks rantai transpor elektron mt .

Pencarian mengungkapkan hanya tujuh protein ini dalam H. salminicola , sedangkan Myxozoic lainnya sekitar 18-25. Secara khusus, semua kompleks gen (I, III, dan IV) yang terdeteksi pada spesies Myxozoic lainnya tidak ada pada H. salminicola ( 3B ) atau disajikan sebagai pseudogen.

Sejak berinteraksi IV kompleks dengan O 2 molekul , ini mungkin berarti bahwa H. salminicola mungkin mampu standar respirasi aerobik seluler.

Selain kompleks I, III, dan IV, yang bertanggung jawab untuk perjalanan proton ke ruang intermembran mitokondria, kompleks V yang bertanggung jawab untuk sintesis ATP juga tidak terdeteksi pada H. salminicola .

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog


Dalam penelitian ini, data pertama dikumpulkan mengenai karakteristik genetik makhluk yang, tampaknya, hidup tanpa membutuhkan respirasi aerobik. Apa yang sebelumnya dianggap sebagai bagian integral dari dunia hewan tidak begitu penting bagi beberapa perwakilannya.

Para penulis dari penemuan ini mencatat bahwa biasanya evolusi berkembang dari yang sederhana ke kompleks, tetapi dalam kasus H. salminicola situasi yang berlawanan diamati. Kehidupan di lingkungan yang bebas oksigen memaksa organisme ini untuk kehilangan gen yang tidak perlu yang bertanggung jawab atas respirasi aerobik, yang membuatnya menjadi organisme yang lebih sederhana.

Tentu saja, masih belum jelas bagaimana evolusi organisme parasit dari spesies H. salminicola berlangsung.keadaan apa yang memaksa dia kehilangan mitokondria dan benar-benar meninggalkan oksigen dan mengapa varian perubahan seperti itu terjadi. Para ilmuwan bermaksud mempertimbangkan masalah ini dalam penelitian masa depan mereka.

Bagaimanapun, penemuan ini benar-benar unik, karena sekali lagi menegaskan bahwa alam masih memiliki sesuatu yang mengejutkan kita. Hukum dan norma yang diterima secara umum yang sebelumnya dianggap tidak tergoyahkan dilanggar dalam beberapa kasus yang jarang terjadi. Di satu sisi, ini mengejutkan, di sisi lain, itu sangat diharapkan. Lagi pula, apa lagi yang bisa Anda harapkan dari evolusi, yang dari kaldu primer yang kacau menciptakan flora dan fauna yang begitu kompleks dan indah yang mengelilingi kita setiap hari.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan, semuanya! :)

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda, cloud VPS untuk pengembang dari $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles