Функциональный спектр эвкариотических доменов «бактериального» происхождения

Домены, связанные с базовыми информационными процессами (репликация, транскрипция, процессинг РНК, трансляция, организация хромосом и рибосом и т.д.) в этой группе тоже присутствуют, но их относительная доля значительно меньше, чем у «архейных» доменов (рис. 2). Большая их часть либо имеет второстепенное значение, либо связана с информационными процессами в органеллах (митохондриях и пластидах). Так, например, среди эвкариотных доменов архейного происхождения присутствует 7 доменов ДНК-зависимых РНК-полимераз (базовый механизм транскрипции), тогда как в бактериальной группе таких доменов только два (PF00940 и PF03118), причем первый из них связан с транскрипцией митохондриальной ДНК, а второй – пластидной. Другой пример: домен PF00436 (Single-strand binding protein family) у бактерий входит в состав многофункциональных белков, играющих важную роль в репликации, репарации и рекомбинации; у эвкариот данный домен участвует только в репликации митохондриальной ДНК.

Очень показательна ситуация с рибосомными белками. Из 24 эвкариотических доменов рибосомных белков, имеющих бактериальное происхождение, 16 присутствуют в рибосомах митохондрий и пластид, 7 – только в пластидах, еще по одному домену нет данных о локализации в клетках эвкариот. Таким образом, бактерии – участники эвкариотической интеграции, по-видимому, не внесли практически ничего в структуру цитоплазматических рибосом эвкариот.

Среди доменов бактериального происхождения значительно выше доля сигнально-регуляторных белков. Однако, если среди немногочисленных регуляторных доменов архейного происхождения преобладают базовые регуляторы транскрипции общего назначения (фактически, они не столько регулируют, сколько организуют процесс), то в бактериальной группе преобладают сигнально-регуляторные домены, ответственные за конкретные механизмы реагирования клетки на факторы внешней среды (биотические и абиотические). Эти домены определяют то, что можно образно назвать «экологией клетки». Их можно условно подразделить на «аутэкологические» и «синэкологические», причем широко представлены как те, так и другие.

К «аутэкологическим» доменам, отвечающим за адаптацию клетки к внешним абиотическим факторам, можно отнести, в частности домены хит-шоковых белков (отвечают за выживание клетки в условиях перегрева), такие как HSP90 - PF00183. Сюда же относятся всевозможные белки-рецепторы (Receptor L domain - PF01030, Low-density lipoprotein receptor repeat class B - PF00058 и мн. др.), а также защитные белки, например, связанные с защитой клетки от ионов тяжелых металлов (TerC - PF03741), от других токсичных веществ (Toluene tolerance, Ttg2 - PF05494), от оксидативного стресса (Indigoidine synthase A - PF04227) и мн. др.

«Синэкологические» домены отвечают у бактерий за взаимодействие с другими представителями прокариотного сообщества, а также с клетками эукариот (например, у паразитических бактерий это домены, связанные с вирулентностью, механизмами проникновения в организм хозяина и т.д.) ( MCE - PF02470, MAC/Perforin domain - PF01823, Necrosis inducing protein (NPP1) - PF05630, Leishmanolysin - PF01457 и др.). У эукариот подобные «синэкологические» бактериальные домены часто играют важную роль в функционировании иммунной системы, а также в осуществлении межклеточных взаимодействий внутри многоклеточного организма. Так, например, MAC/Perforin domain – компонент комплекса «мембранной атаки», вызывающего разрушение мембраны атакуемой клетки. У эвкариот он функционирует в клетках иммунной системы – Т-лимфоцитах и клетках-киллерах; у патогенных бактерий служит для проникновения в клетки хозяина.

Сохранение у эвкариот многих бактериальных доменов «экологического» характера подверждает высказанное ранее предположение о том, что многие интегрирующие механизмы, обеспечивающие целостность и согласованную работу частей эукариотической клетки (прежде всего – сигнальные и регуляторные каскады), начали развиваться задолго до того, как эти части реально объединились под одной клеточной мембраной. Изначально они формировались как механизмы, обеспечивающие целостность микробного сообщества (Марков, в печати).

Интересны домены бактериального происхождения, участвующие у эвкариот в регуляции онтогенеза или клеточно-тканевой дифференциации (например, Sterile alpha motif - PF00536; TIR domain - PF01582; jmjC domain - PF02373 и др.). Сама «идея» онтогенеза многоклеточных эвкариот основана, прежде всего, на способности клеток при неизменном геноме менять свою структуру и свойства в зависимости от внешних и внутренних факторов. Эта способность к адаптивным модификациям зародилась еще в сообществах прокариот и служила изначально для адаптации бактерий к меняющимся биотическим и абиотическим факторам.

Показателен также анализ происхождения такого значимого для эвкариот домена, как Ras. Белки Ras-суперсемейства являются важнейшими участниками сигнальных каскадов в клетках эвкариот, осуществляя передачу сигнала от рецепторов, как протеинкиназных, так и связанных с G-белками, на нерецепторные киназы – участники MAPK-киназного каскада к транскрипционным факторам, на фосфатидилинозитол-киназу ко вторичным мессенджерам, контролирующим стабильность цитоскелета, активность ионных каналов и другие жизненно важные клеточные процессы. Один из важнейших мотивов Ras-домена, Р-петля с ГТФ-азной активностью, известен в составе доменов Elongation factor Tu GTP binding (GTP_EFTU) и родственного ему COG0218 и широко представлен как у бактерий, так и у архей. Тем не менее, эти домены принадлежат высокомолекулярным ГТФ-азам, и не имеют отношения к цитоплазматической передаче сигнала.

Формально Ras-домен относится к числу общих для архей, бактерний и эвкариот. Однако, если у последних он встречается в огромном количестве высокоспециализированных сигнальных белков, то в геномах бактерий и архей наблюдаются единичные случаи его обнаружения. В геноме бактерий домен Ras идентифицирован у протеобактерий и цианобактерий, в составе низкомолекулярных пептидов. При этом структура двух пептидов сходна со структурой Ras-белков эукариот, а один из белков Anabaena sp. несет дополнительно домен LRR1(Leucine Rich Repeat), участвующий в межбелковых взаимодействиях. В геноме архей Ras-домен обнаружен у эуархеот Methanosarcinaceae (Methanosarcina acetivorans) и Methanopyraceae (Methanopyrus kandleri AV19). Оказывается, что у Methanosarcina acetivorans Ras-домен также расположен рядом с доменом LRR1, не обнаруженным пока в других белках архей, и известным у эукариот и бактерий, в том числе и в вышеупомянутом Ras-белке цианобактерий. У Methanopyrus kandleri AV19 Ras домен расположен рядом с доменом COG0218, свидетельствующем о иных по сравнению с Ras-белками функциях данного белка. Эти факты дают основание предполагать вторичность появления у метанообразующих архей доменов Ras и LRR1 и первичное формирование и специализацию Ras-домена у бактерий.

Особую группу составляют транспортные домены, большинство из которых связаны с мембранным транспортом различных низко- и высокомолекулярных соединений. Многие из этих доменов в мире бактерий играют первостепенную роль во взаимодействии клетки с внешней средой, в том числе и в обеспечении синэкологических связей в бактериальном сообществе. У эвкариот эти домены отвечают, помимо прочего, за взаимодействие клеточных компонентов. Например, домен Tim44 – PF04280 у эвкариот играет ключевую роль в транспортировке митохондриальных белков, кодируемых ядерными генами, через внутреннюю мембрану митохондрий. Домен GUN4 - PF05419 участвует в передаче сигналов от пластид к ядру. Потенциальная ценность подобных доменов для «эвкариотической интеграции» очевидна. Интересен домен TLC ATP/ADP transporter -PF03219, осуществляющий мембранный транспорт АТФ. У внутриклеточных паразитов риккетсий он служит для «выкачивания» АТФ из клетки-хозяина, а у эвкариот этот и родственные ему белки служат для обмена молекулами АТФ и АДФ между цитоплазмой и органеллами (пластидами и митохондриями). Отметим, что риккетсии относятся к группе альфапротеобактерий и генетически весьма близки к предкам митохондрий.

Важнейшим отличием функционального спектра доменов бактериального происхождения от «архейных» является резкое преобладание метаболитических доменов. Среди них следует отметить, в первую очередь, большое число доменов, связанных с фотосинтезом и кислородным дыханием. В этом нет ничего удивительного, поскольку, согласно общепринятому мнению, и фотосинтез, и кислородное дыхание были получены эвкариотами вместе с бактериальным эндосимбионтами – предками пластид и митохондрий.

Важное значение для понимания происхождения эвкариот имеют домены, не относящиеся непосредственно к механизму аэробного дыхания, но связанные с микроаэрофильным метаболизмом эвкариотической цитоплазмы и с защитой от токсического действия молекулярного кислорода (оксигеназы, пероксидазы и т.д.) Таких доменов в «бактериальной» группе много (19), а в «архейной» они отсутствуют. Большинство этих доменов у эвкариот функционирует в цитоплазме. Это говорит о том, что эвкариоты, по-видимому, унаследовали от бактерий не только митохондриальное кислородное дыхание, но и значительную часть «аэробного» (точнее, микроаэрофильного) цитоплазматического метаболизма.

Следует обратить внимание на большое число (93) доменов, связанных с метаболизмом углеводов. Большая их часть у эвкариот работает в цитоплазме. К ним относится и фруктозодифосфатальдолаза (домены PF00274 и PF01116) – один из ключевых ферментов гликолиза. Фруктозодифосфатальдолаза катализирует обратимое расщепление гексозы (фруктозодифосфата) на две трехуглеродные молекулы (дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид 3-фосфат). Сравнение остальных гликолитических ферментов у архей, бактерий и эвкариот (в частности, по геномным данным из системы COG http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG/new/release/coglist.cgi?pathw=20) подтверждает отчетливо бактериальную (не архейную) природу главнейшей составляющей энергетического метаболизма цитоплазмы эвкариотической клетки – гликолиза. Этот вывод подтверждается и попарным сравнением белковых последовательностей при помощи BLAST (Feng et al., 1997), и результатами детального сравнительно-филогенетического анализа полных последовательностей гликолитических ферментов у нескольких представителей архей, бактерий и эвкариот (Canback et al., 2002).

Важнейшую роль в цитоплазматическом метаболизме углеводов у эвкариот играет лактат-дегидрогеназа – фермент, восстанавливающий конечный продукт гликолиза (пируват) с образованием лактата (иногда эту реакцию рассматривают как последний шаг гликолиза). Данная реакция – «анаэробная альтернатива» митохондриальному кислородному дыханию (в ходе последнего пируват окисляется до воды и углекислого газа). Лактат-дегидрогеназа примитивного эвкариотического организма - грибка Schizosaccharomyces pombe – сравнивалась при помощи BLAST с архейными и бактериальными белками. Оказалось, что данный белок практически идентичен малат/лактат-дегидрогеназам бактерий рода Clostridium – строго анаэробных бродильщиков (E_min=2*10^-83) и, в меньшей степени, родственных клостридиям облигатных или факультативных аэробов из рода Bacillus (E_min=10^-75). Ближайший архейный гомолог – белок аэробной археи Aeropyrum pernix (E=10^-44). Таким образом, и этот ключевой компонент цитоплазматического метаболизма эвкариоты унаследовали скорее от бактерий-бродильщиков, чем от архей.

Среди эвкариотных доменов бактериального происхождения присутствует несколько доменов, связанных с метаболизмом соединений серы. Это важно, поскольку предполагаемые бактериальные предки пластид и, в особенности, митохондрий (пурпурные бактерии) в экологическом отношении были тесно связаны с круговоротом серы. В связи с этим особенно интересен обнаруженный в митохондриях фермент сульфид/хинон оксидоредуктаза, который, возможно, унаследован эвкариотами непосредственно от фотосинтезирующих альфапротеобактерий, использующих сероводород в качестве донора электронов при фотосинтезе (в отличие от растений и большинства цианобактерий, которые используют для этого воду) (Theissen et al., 2003). Сульфид-хинон оксидоредуктазы и родственные им белки имеются как у бактерий, так и у архей, поэтому соответствующее семейство белков Pfam находится в группе доменов, общих для всех трех надцарств. Однако по аминокислотным последовательностям этих ферментов эвкариоты значительно ближе к бактериям, чем к археям. Например, сравнивая при помощи BLAST человеческую митохондриальную сульфид-хинон оксидоредуктазу http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/viewer.fcgi?db=protein&val=27151704 с архейными белками получаем минимальные значения E не менее 4*10^-36 (Thermoplasma), c бактериальными – 10^-123 (Chloroflexus).