Hírek

magyar.aniko

A sejtmag lehetett a hiányzó láncszem a mitokondrium megszerzéséhez az eukarióták eredete során

Zachar cikkhez kep

A Philosophical Transactions of the Royal Society különszámában magyar kutatóktól megjelent tanulmány új megvilágításba helyezi a sejtmag és az eukarióták eredetét. Bár mind a sejtmag, mind a mitokondrium egyedi és komplex eukarióta találmányok, a hagyományos magyarázatok szerint a mitokondrium-ős, azaz egy bakteriális partner bekebelezése indította el az eukariótává válás hosszú folyamatát. A HUN-REN Evolúciótudományi Intézetének kutatói, Zachar István, Máté Jakab és Oszoli István ezzel szemben azt állítják, hogy a valódi kulcs a sejtmag kialakulása lehetett, amely vélhetően már a mitokondrium előtt létrejött, s mintegy kikövezte az utat az első, stabil sejten belüli (endoszimbionta) partnerkapcsolat felé.

Az egysejtűekre rendkívül jellemző a horizontális géntranszfer (HGT), amely során a mikrobák egymást közt intenzíven kicserélik a genetikai anyagaikat. Ez a folyamat rendkívül gyakori a sejtmag nélküli egysejtűekben (prokariótákban), és bár gyors alkalmazkodást biztosít, egyben instabilitást is okoz: a baktériumok genetikai állomány folyamatosan változik, ahogy a változó forrásokhoz, körülményekhez és partnerekhez alkalmazkodnak. Ennek a következménye, hogy szoros, fajspecifikus együttműködések nehezen tarthatóak fenn.
A baktériumok között az együttélés és együttműködés rendkívül gyakori – csak éppen soha sem tartósan sejten belüli. A nagy mennyiségű HGT magyarázatot adhat arra, hogy miért hiányoznak a stabil endoszimbiotikus partnerkapcsolatok a prokariótáknál: egyszerűen túl nagy a genetikai „átjárhatóság”, és a szimbionta partnerek (még ha be is jutnak a sejtbe), könnyen lecserélhetők vagy kifoszthatók: a hasznos gének átvétele után a gazda megszabadul a partnertől. Rosszabb esetben a gazda maganyaga állandó veszélynek van kitéve, ahogy a partnerek génjei folyamatosan bombázzák.

A szerzők szerint a sejtmag, illetve az azt megelőző egyszerűbb belső membránok, megoldást jelenthettek erre a problémára. A DNS újabb membránok mögé rejtésével a leendő gazda csökkenthette az idegen gének beépülésének esélyét, hiszen akár egyetlen átmeneti endoszimbionta partner esetében is rendkívül kártékony lehetett a HGT. Ezen felül a génátírás és fehérjeszintézis térbeli elválasztásával a gazda stabilabbá tehette a genetikai információ feldolgozását. A magmembrán kialakulása után a bekebelezett baktérium (a mitokondrium őse) már jóval kisebb eséllyel szólhatott bele károsan a gazdasejt genomjába, ugyanakkor a szelekció lehetővé tette a hasznos partner-gének biztonságosabb átjutását a gazda genomba. A génáramlás gazda-által irányítottá vált, ami lehetővé tette, hogy kialakuljon a tartós endoszimbiózis. Az eukarióták kialakulásának kulcsa tehát nem maga az endoszimbiózis volt, hanem az azt lehetővé tevő belső strukturálódás és munkamegosztás. Ez az egyedülálló innováció megmagyarázhatja, miért csak egyszer történt meg ez az evolúciós áttörés.

kep a Zachar cikk kozepere
A várható horizontális génátvitel (HGT) mértéke különböző szimbiózis-körülmények között. A piros nyilak a lehetséges génátvitelt, a zöld nyilak az elakadt átviteli kísérleteket jelzik; a nyilak vastagsága az egységnyi idő alatt végbemenő sikeres átvitelek feltételezett mértékét jelzi.
illusztracio 2 a Zachar cikkhez
A sejtmag, a mitokondriumok eredetét és az intronok evolúcióját magában foglaló, különböző eseménysorrendet felvázoló elméletek áttekintése. A) A mitokondriumok korai megjelenését feltételező forgatókönyv (Martin és Koonin 2006): Első lépésként egy (sejtmembrán nélküli) archaea felveszi a mitokondriális endoszimbiótát. Az endoszimbionta fokozott HGT-szintet (EGT; vastagabb nyíl) eredményez, és ennek következtében a II. csoportba tartozó intronok (többek között) bejutnak a gazda genomjába, és ott elszaporodnak. Az önszerkesztő képességüket elvesztő intronok terhet jelentenek a gazdaszervezet számára, és ennek eredményeként a NE és a spliceoszómális gépezet csak az intronok elszaporodása után alakul ki. B) Korai intron-evolúció és késői mitokondrium-szerzés (Vosseberg et al. 2020, 2022) alapján. A II. csoportba tartozó intronokat vagy a gazda szerzett meg HGT útján a mitokondrium előtti endoszimbiontáktól, vagy vertikálisan örökölte a már a leszármazási vonalban jelen lévő archaea intronoktól. Kialakul a NE kezdetleges változata (vagy más mechanizmus a transzkripció és a transzláció elválasztására), miközben a génduplikációk hulláma potenciálisan további intronokat vezet be. Ahogy az intronok elszaporodtak a genomban, a spliceoszómák a fent leírtakkal megegyező okokból fejlődtek ki. A mitokondriális endoszimbionta megtelepedésével a génduplikációk második hulláma és valószínűleg további intronok alakították tovább a proto-eukarióta genomot. C) A mitokondriumok előtti sorozatos endoszimbiózist feltételező hipotézis (Pittis és Gabaldón 2016, Gabaldón 2018), amely összeegyeztethető a B forgatókönyvvel. Az átmeneti endoszimbionta partnerekből származó fokozott HGT zavart okoz a gazda genomjában, mielőtt a sejtmembrán teljesen kialakulna. A korai endoszimbionták nem tudtak stabilizálódni, mivel hiányzott a sejtmembrán, amely lehetővé tette volna az EGT szabályozott folyamatát, és végső soron a szimbionták központi irányítását. A forgatókönyv további része a B pontot követi.

Publikáció:

István Zachar; Jakab Máté; István Oszoli: The cell nucleus as a barrier against horizontal gene transfer in microbial endosymbioses Open Access