В исследовании представлена теория о том, что слияние яйцеклетки и сперматозоида – важнейшая особенность полового размножения у растений и животных – могло возникнуть в результате древней формы генетического обмена, включавшей слияние бактериоподобных микроорганизмов, называемых археями. Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, могут открыть совершенно новый взгляд на эволюцию секса.
“Белки архей, обладающие активностью слияния мембран, могут помочь нам понять, как клетки эволюционировали от, казалось бы, простых форм, обменивающихся отдельными фрагментами ДНК, до современных сложных форм жизни с половым размножением”, — объясняет Сюнсуке Нисио, исследователь из отделения биологических наук и питания Каролинского института и один из первых авторов исследования.
Слияние яйцеклетки и сперматозоида, специализированных клеток, которые несут генетическую информацию для следующего поколения, является кульминацией полового размножения. Поскольку неконтролируемое слияние клеток смертельно опасно, растения и животные используют специальные белки, называемые фузогенами, чтобы контролировать, когда и где происходит этот процесс.
В новом исследовании сообщается, что археи, бактериоподобные клетки, возникшие, как считается, более 3 миллиардов лет назад, могут содержать белок (фузексин 1 или Fsx1), напоминающий тип фузогена (HAP2), который ранее был идентифицирован у вирусов, растений и беспозвоночных животных.
Исследователи объединили вычислительную эволюционную биологию, моделирование альфа-складчатых белков, рентгеновскую кристаллографию и функциональные исследования, чтобы показать, что архейский белок Fsx1 является настоящим фузогеном. Он структурно похож на ранее идентифицированный фузоген HAP2 и может способствовать межклеточному слиянию при экспрессии в других типах клеток.
“Слияние гамет восхищает человечество уже более 150 лет. Поскольку мы уже знали, что HAP2-подобные белки используются для слияния оболочек вирусов (таких, как вирус зика, денге и краснухи) с клетками хозяина, нам стало интересно, появилась ли эта ключевая молекула в вирусе, а затем была перепрофилирована для слияния гамет у растений и животных или наоборот, — рассказывает Лука Йовин, профессор кафедры биологических наук и питания Каролинского института и один из авторов исследования. – Открытие того, что древние существа, такие как археи, также могут содержать HAP2-подобный белок, поднимает третью интригующую возможность того, что Fusexin1 является наследственной молекулой, из которой происходят патогены вирусов, растений и беспозвоночных животных”.
Исследование проводилось в международном сотрудничестве с академическими исследовательскими группами из Израиля, Аргентины, Уругвая и Швейцарии, а также с Европейским центром синхротронного излучения (ESRF) во Франции и британской компанией DeepMind, занимающейся разработкой искусственного интеллекта, которая разработала AlphaFold.
Следующим шагом будет выяснение того, что белки Fsx1 делают в природе, например, соединяют ли они архейные клетки – подобно тому, как их растительные и животные аналоги HAP2 соединяют гаметы – для содействия обмену ДНК, подобному половому. Параллельные исследования также необходимы для точного картирования эволюционной истории, связывающей Fsx1 и HAP2, чтобы точно установить их происхождение.
