งานวิจัยใหม่เกี่ยวกับต้นกำเนิดของเซลล์ที่ซับซ้อนแรกนั้นท้าทาย orthodoxy

8 สิงหาคม 2565

ตอนแรกมีความเบื่อหน่าย หลังจากการปรากฏตัวของชีวิตเซลล์บนโลกเมื่อประมาณ 3.5 พันล้านปีก่อน ดาวเคราะห์ถูกครอบงำโดยเซลล์ธรรมดาที่ไม่มีนิวเคลียสและโครงสร้างภายในที่มีรายละเอียดอื่นๆ ในเซลล์ที่เรียกว่าโปรคาริโอต แบคทีเรีย และอาร์เคีย สิ่งต่างๆ จะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมากในแง่ของการพัฒนาเชิงวิวัฒนาการไปอีกพันล้านปีครึ่ง

แล้วสิ่งที่น่าทึ่งและไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนก็เกิดขึ้น เซลล์ชนิดใหม่ที่เรียกว่ายูคาริโอตได้เกิดขึ้น ยูคาริโอตจะพัฒนาโมดูลหรือออร์แกเนลล์ภายในที่ซับซ้อนจำนวนมาก รวมถึงเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม เครื่องมือกอลจิ และไมโทคอนเดรีย เพื่อสร้างเซลล์ประเภทต่าง ๆ อย่างดุเดือด ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์บนโลก
ภาพประกอบของเซลล์โปรคาริโอตและเซลล์ยูคาริโอต
เซลล์โปรคาริโอตซึ่งรวมถึงแบคทีเรียและอาร์เคียเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีโครงสร้างเรียบง่ายซึ่งไม่มีโครงสร้างภายในที่ซับซ้อนที่พบในยูคาริโอต พืชและสัตว์ที่มีชีวิตทั้งหมดในปัจจุบันมีต้นกำเนิดมาจากบรรพบุรุษของยูคาริโอตกลุ่มสุดท้ายหรือ LECA การเปลี่ยนจากโปรคาริโอตไปเป็นยูคาริโอตยังคงเป็นปริศนาสำคัญที่นักชีววิทยายังคงพยายามคลี่คลาย
ดาวน์โหลดภาพเต็ม

การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรยังคงเป็นปริศนาสำคัญทางชีววิทยา

ในการศึกษาครั้งใหม่ Paul Shavemaker นักวิจัยจากศูนย์การออกแบบกลไกวิวัฒนาการของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐแอริโซนา และ Sergio Muñoz-Gómez เดิมคือ ASU และปัจจุบันเป็นนักวิจัยที่มหาวิทยาลัย Paris-Saclays ใน Orsay ประเทศฝรั่งเศส ได้ปรับปรุง: ดูปริศนาที่มาของยูคาริโอต

การศึกษาของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Ecology & Evolution ฉบับปัจจุบัน ท้าทายสถานการณ์ยอดนิยมที่อธิบายการมาถึงของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตตัวแรก

นักวิจัยกำลังพิจารณาความต้องการพลังงานของเซลล์ยูคาริโอต ซึ่งโดยเฉลี่ยแล้วมีขนาดใหญ่กว่าและซับซ้อนกว่าเมื่อเทียบกับโปรคาริโอต ผลลัพธ์เชิงปริมาณของพวกเขาท้าทายหลักคำสอนที่แพร่หลายครั้งแรกโดยนักชีววิทยา Nick Lane และ Bill Martin

ปฐมกาลสู่การเปิดเผย

แนวคิดพื้นฐานของ Lane และ Martin คือชะตากรรมของการพัฒนาเซลล์ถูกควบคุมโดยการจัดหาพลังงาน โปรคาริโอตธรรมดามักมีขนาดเล็กและประกอบด้วยเซลล์เดียวหรือโคโลนีขนาดเล็ก และสามารถอยู่รอดได้ด้วยแหล่งพลังงานที่จำกัดมากขึ้นเพื่อรักษากิจกรรมของพวกมัน แต่เมื่อเซลล์มีขนาดและความซับซ้อนเพียงพอ ในที่สุดก็ถึงอุปสรรคที่โปรคาริโอตดังกล่าวไม่สามารถผ่านได้ หรือทฤษฎีบอกว่า

ตามแนวคิดนี้ เหตุการณ์ที่ไม่เหมือนใครในประวัติศาสตร์ของโลกได้ก่อให้เกิดยูคาริโอต ซึ่งจากนั้นก็เติบโตและกระจายตัวเพื่อครอบครองทุกซอกทุกแห่งทางนิเวศวิทยาบนโลกใบนี้ ตั้งแต่ช่องระบายอากาศใต้น้ำไปจนถึงทุนดราที่อาร์กติก ความหลากหลายมหาศาลนี้เกิดขึ้นเมื่อเซลล์โปรคาริโอตที่มีชีวิตอิสระได้รับสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กอีกตัวหนึ่งภายในขอบเขตของมัน

ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าเอนโดซิมไบโอซิส เซลล์ใหม่ถูกดูดกลืนโดยโปรโต-ยูคาริโอต ให้พลังงานเพิ่มเติมแก่เซลล์และทำให้สามารถเปลี่ยนรูปได้ เอนโดซิมบิออนที่ได้มาจะพัฒนาเป็นไมโตคอนเดรีย ซึ่งเป็นศูนย์พลังงานของเซลล์ที่พบเฉพาะในเซลล์ยูคาริโอตเท่านั้น

เนื่องจากชีวิตที่ซับซ้อนทั้งหมดในปัจจุบันสามารถสืบย้อนไปถึงกิ่งไม้ที่มียูคาริโอตเพียงกิ่งเดียวของต้นไม้วิวัฒนาการ จึงเชื่อกันว่าเหตุการณ์เอนโดซิมไบโอติกแบบสุ่มนี้ การได้มาของไมโทคอนเดรีย เกิดขึ้นครั้งเดียวและครั้งเดียวในประวัติศาสตร์ทั้งหมดของชีวิตบนโลก อุบัติเหตุทางธรรมชาติครั้งนี้เป็นเหตุผลที่เราทุกคนมาที่นี่ หากไม่มีไมโทคอนเดรีย ขนาดและความซับซ้อนที่มากขึ้นของยูคาริโอตก็ไม่น่าจะเป็นไปได้อย่างกระฉับกระเฉง

ไม่เร็วนัก อ้างสิทธิ์ผู้เขียนการศึกษาใหม่

พื้นที่ข้ามแดน

ภาพเหมือนของนักวิจัย ASU

Paul Shavemaker

Schavemaker ตั้งข้อสังเกตว่าในขณะที่ความแตกต่างระหว่างโปรคาริโอตและยูคาริโอตนั้นชัดเจนในสิ่งมีชีวิตที่มีชีวิตอยู่ในปัจจุบัน แต่สิ่งต่าง ๆ ก็มืดมนกว่าในช่วงการเปลี่ยนแปลง ในที่สุด คุณลักษณะทั้งหมดที่ใช้ร่วมกันโดยยูคาริโอตที่ยังหลงเหลืออยู่จะได้รับมา ส่งผลให้เกิดสิ่งมีชีวิตที่นักวิจัยเรียกว่า LECA หรือบรรพบุรุษร่วมกันคนสุดท้ายของยูคาริโอต

การศึกษาใหม่ตรวจสอบการถือกำเนิดของยูคาริโอตตัวแรกและสังเกตว่าแทนที่จะแยกจากบรรพบุรุษของโปรคาริโอตเป็นเส้นทึบ ภาพจริงกลับยุ่งเหยิงกว่า แทนที่จะเป็นการแบ่งกันน้ำระหว่างโปรคาริโอตและยูคาริโอในแง่ของความซับซ้อนภายในของปริมาตรเซลล์และจำนวนยีน รูปแบบเซลล์ทั้งสองมีความเหลื่อมล้ำกันมาก

นักวิจัยกำลังศึกษาเซลล์ประเภทโปรคาริโอตและยูคาริโอตที่หลากหลายเพื่อกำหนด (ก) ว่าปริมาตรของเซลล์ในโปรคาริโอตในท้ายที่สุดอาจจำกัดพื้นที่ผิวเยื่อหุ้มเซลล์ที่จำเป็นสำหรับการหายใจได้อย่างไร และ (ข) พลังงานที่เซลล์ต้องส่งตรงไปยังกิจกรรมดีเอ็นเอเนื่องจากการจัดเรียงตัว . ของจีโนมของมัน และ c) ต้นทุนและประโยชน์ของเอนโดซิมบิออนต์สำหรับเซลล์ที่มีขนาดต่างกัน

ปรากฎว่าเซลล์สามารถเติบโตได้ในขนาดที่พอเหมาะและได้คุณสมบัติบางอย่างของเซลล์ที่ซับซ้อนเป็นอย่างน้อย ในขณะที่ยังคงมีโปรคาริโอตเป็นส่วนใหญ่ในธรรมชาติและไม่มีไมโตคอนเดรีย

ความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้น

นักวิจัยได้ศึกษาว่าความต้องการระบบทางเดินหายใจของเซลล์ โดยวัดจากจำนวนโมเลกุลของ ATP synthase ที่พร้อมใช้งานเพื่อจัดหาพลังงาน ATP สำหรับการเจริญเติบโตและการบำรุงรักษาเซลล์ ปรับขนาดตามปริมาตรของเซลล์ พวกเขายังอธิบายว่าความต้องการพลังงานขยายขนาดตามพื้นที่ผิวของเซลล์โดยพิจารณาจากข้อมูลจาก Lynch และ Marinov

“เราดูที่ผิวเซลล์จริงๆ และพบว่าจำนวนการสังเคราะห์ ATP เพิ่มขึ้นเร็วกว่าเยื่อหุ้มเซลล์” Shavemaker กล่าว “ซึ่งหมายความว่าในบางจุดเมื่อเซลล์มีขนาดใหญ่ขึ้น จะมีขีดจำกัดของปริมาตรที่การสังเคราะห์ของ ATP ไม่สามารถให้ ATP เพียงพอสำหรับเซลล์ในการแบ่งในอัตราที่แน่นอน”

ยูคาริโอตเอาชนะสิ่งกีดขวางนี้ด้วยพื้นผิวทางเดินหายใจเพิ่มเติมซึ่งมีโครงสร้างที่ยึดกับเมมเบรนภายในเช่นไมโตคอนเดรีย

น่าสนใจ ขอบเขตของปริมาตรเซลล์นี้ไม่ได้เกิดขึ้นที่ขอบเขตระหว่างโปรคาริโอตและยูคาริโอต ตามที่ทฤษฎีก่อนหน้านี้ทำนายไว้ แทนที่จะเป็นอย่างนั้น “มันเกิดขึ้นในปริมาตรเซลล์ที่ใหญ่กว่ามาก—ประมาณ 103 ลูกบาศก์ไมครอน—ซึ่งรวมถึงยูคาริโอตที่ยังหลงเหลืออยู่จำนวนมาก และนั่นคือสิ่งที่ทำให้เราคิดว่าไมโตคอนเดรียอาจไม่จำเป็นเลย พวกเขาอาจช่วยได้ แต่ไม่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนไปใช้ปริมาณที่มากขึ้น” Shavemaker กล่าว

ภาพประกอบกราฟิกของไมโตคอนเดรีย

ไมโทคอนเดรียเป็นแหล่งพลังงานของเซลล์ยูคาริโอต สมมติฐานยอดนิยมข้อหนึ่งระบุว่าออร์แกเนลล์เหล่านี้เป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเปลี่ยนจากโปรคาริโอตที่ง่ายกว่า เช่น แบคทีเรียและอาร์เคียไปเป็นสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตที่ใหญ่และซับซ้อนกว่า การศึกษาใหม่ท้าทายสมมติฐานนี้ กราฟิกโดย Jason Dries

สิ่งที่คล้ายกันเกิดขึ้นเมื่อเปรียบเทียบการจัดเรียงของยีนภายในโปรคาริโอตและยูคาริโอต โครงสร้างจีโนมของโปรคาริโอตกล่าวกันว่ามีความสมมาตร ซึ่งประกอบด้วยดีเอ็นเอที่มีความยาวเป็นเกลียวคู่เป็นวงกลม แบคทีเรียจำนวนมากเก็บสำเนาของจีโนมไว้หลายชุดในแต่ละเซลล์

แต่ยูคาริโอตมีสถาปัตยกรรมจีโนมที่แตกต่างกันที่เรียกว่าอสมมาตร ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการจัดเรียงจีโนมของยูคาริโอตคือพวกมันไม่จำเป็นต้องรักษาสำเนาของจีโนมทั่วทั้งเซลล์ เช่นเดียวกับโปรคาริโอต สำหรับยีนส่วนใหญ่ ยูคาริโอตสามารถเก็บสำเนาหนึ่งหรือสองชุดไว้ในนิวเคลียส มียีนจำนวนเล็กน้อยเท่านั้นที่มีอยู่ในสำเนาหลายชุดของจีโนมไมโตคอนเดรียที่กระจัดกระจายไปทั่วเซลล์

ในทางตรงกันข้าม แบคทีเรียขนาดใหญ่มีสำเนาของจีโนมทั้งหมดหลายชุด โดยแต่ละจีโนมจะมีสำเนาของยีนทุกตัวที่มีอยู่ในเซลล์ทั้งหมด ความแตกต่างนี้ทำให้ยูคาริโอตมีขนาดโตขึ้นอย่างเห็นได้ชัดโดยไม่มีข้อจำกัดด้านพลังงานที่วางไว้บนโปรคาริโอต แต่อีกครั้งหนึ่ง นักวิจัยสังเกตเห็นว่าจำนวนยีนที่ทับซ้อนกันระหว่างโปรคาริโอตและยูคาริโอตมีนัยสำคัญ โดยแนะนำว่าโปรคาริโอตสามารถขยายจำนวนยีนของพวกมันให้อยู่ในช่วงที่มักเกี่ยวข้องกับยูคาริโอตที่ใหญ่ขึ้น จนกว่าจะถึงเกณฑ์วิกฤตที่เกินความสมมาตรของจีโนมกลายเป็นข้อจำกัด ปัจจัย. .

LECA มาเยือนอีกครั้ง

ภาพใหม่ของวิวัฒนาการของยูคาริโอตในยุคแรกเป็นทางเลือกที่แท้จริงสำหรับกระบวนทัศน์แรกของไมโตคอนเดรีย แทนที่จะเป็นวิวัฒนาการที่เริ่มต้นยุคยูคาริโอตด้วยท่าทางที่ยิ่งใหญ่เพียงครั้งเดียว – การได้มาซึ่งต้นแบบไมโตคอนเดรียโดยไม่ได้ตั้งใจ – ชุดของการทดลองที่ค่อยเป็นค่อยไปการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนในช่วงเวลามากมายในที่สุดก็สร้างเซลล์ที่ซับซ้อนพร้อมกับโครงสร้างภายในที่ซับซ้อนและวัตถุระเบิดที่มีความสามารถ การกระจายความเสี่ยง

การวิจัยก่อนหน้านี้โดย Lynch และ Marinov ที่อ้างถึงในการศึกษาครั้งใหม่ มีมุมมองที่ต่างไปจากเดิมเล็กน้อย โดยบอกว่าไมโตคอนเดรียให้ประโยชน์น้อยมากต่อยูคาริโอตในระยะแรก การศึกษาครั้งใหม่นี้ดำเนินไปในระดับปานกลาง โดยชี้ว่านอกเหนือจากปริมาณเซลล์ที่สำคัญ ไมโทคอนเดรียและคุณสมบัติอื่น ๆ ของเซลล์ยูคาริโอตสมัยใหม่อาจมีความจำเป็นเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานของเซลล์ขนาดใหญ่ แต่อาจมีโปรยูคาริโอตขนาดเล็กจำนวนหนึ่ง ทำได้ดีโดยไม่มีนวัตกรรมเหล่านี้

ดังนั้น เหตุการณ์ลึกลับของ LECA อาจนำหน้าด้วยสิ่งมีชีวิตจำนวนหนึ่งซึ่งเดิมทีไม่มีไมโตคอนเดรีย

งานวิจัยชิ้นใหม่นี้ยังทำให้เกิดข้อสงสัยเกี่ยวกับช่วงเวลาของการเปลี่ยนแปลงของยูคาริโอต บางทีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่อาจเริ่มต้นด้วยการพัฒนาโครงร่างเซลล์ยูคาริโอตหรือโครงสร้างขั้นสูงอื่นๆ ไมโทคอนเดรียนภายในซึ่งมีจีโนมพิเศษในเซลล์ อาจมีต้นกำเนิดเมื่อโปรคาริโอตขนาดเล็กกลืนกินตัวที่ใหญ่กว่าผ่านกระบวนการที่เรียกว่าฟาโกไซโทซิส หรือบางทีไมโทคอนเดรียนก็บุกรุกโปรคาริโอตตัวแรกเป็นปรสิต จำเป็นต้องมีการวิจัยมากขึ้นในการจัดลำดับเหตุการณ์ที่นำไปสู่ยูคาริโอตที่สมบูรณ์ในลำดับที่เหมาะสมอย่างมั่นใจ

“เราไม่รู้ว่าความก้าวหน้าครั้งไหนเกิดขึ้นก่อน” Shavemaker กล่าว “คุณสามารถจินตนาการถึงสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิดที่เริ่มต้นด้วยเยื่อบุโพรงมดลูกและถุงน้ำภายใน จากนั้นพวกเขาก็พัฒนา ER ซึ่งทำหน้าที่ประมวลผลโปรตีนเมมเบรนและจากนั้นคุณจะได้นิวเคลียส และบางทีไมโตคอนเดรียก็เข้าไปโดยฟาโกไซโทซิส มีขั้นตอนทั้งหมดที่คุณสามารถจินตนาการได้ แต่คุณพูดที่ไหน? “โอ้ นี่คือยูคาริโอต และนี่ก็ยังเป็นโปรคาริโอต” คุณทำไม่ได้จริงๆ