אאוקריוטים: סיפור מוצאו הארכאי

הקיבוץ המסורתי של צורות חיים לפרוקריוטים ואיקריוטים תוקן בשנת 1977 כאשר אפיון רצף rRNA חשף כי ארכאים (שנקראו אז 'ארכאיבקטריה') הם ''קשורים רחוקים לחיידקים כמו חיידקים לאאוקריוטים.'' זה הצריך קיבוץ של אורגניזמים חיים. לתוך eubacteria (הכולל את כל החיידקים האופייניים), ארכאים ואוקריוטים. נותרה שאלת המקור של האוקריוטים. בבוא העת, החלו לבנות עדויות לטובת מוצא ארכאי של איקריוטים. מעניין במיוחד היה הממצא שלאסגארד ארכאאה יש כמה מאות גנים של חלבונים איקריוטיים (ESPs) בגנום שלהם. ESPs ממלאים תפקיד מכריע בפיתוח שלד ציטוניים ומאפיינים של מבנים תאיים מורכבים של אוקריוטים. במחקר פורץ דרך שפורסם ב-21 בדצמבר 2022, חוקרים דיווחו על טיפוח מוצלח של תרבות מועשרת של ארכיאה חמקמקה של Asgard שאותה הם צילמו באמצעות טומוגרפיה קריו-אלקטרון. הם הבחינו בתאי Asgard אכן היו בעלי שלד ציטוטי מורכב מבוסס אקטין. זו הייתה העדות החזותית הישירה הראשונה למוצא ארכאי של האיקריוטים, צעד משמעותי בהבנת מקורם של האיקריוטים.  

עד 1977, צורות החיים על פני כדור הארץ היו מקובצות לתוך אקריוטים (צורות מורכבות המאופיינות בהכללה של חומרים גנטיים של התא לתוך גרעין מוגדר היטב ונוכחות ציטושלד) ופרוקריוטים (צורות חיים פשוטות יותר עם חומר גנטי בציטופלזמה ללא גרעין מוגדר, כולל חיידקים וארכיבקטריה). חשבו שסלולר אקריוטים התפתח לפני כ-2 מיליארד שנים, כנראה מהפרוקריוטים. אבל, איך בדיוק נוצרו האוקריוטים? איך צורות החיים התאיות המורכבות קשורות לצורות החיים התאיות הפשוטות יותר? זו הייתה שאלה פתוחה גדולה בביולוגיה.  

התקדמות טכנולוגית בביולוגיה מולקולרית של גנים וחלבונים עזרה להתעמק בליבה של הנושא כאשר, בשנת 1977, נמצאו ארכיאה (שנקראו אז 'ארכאיבקטריה') כ''קרוב לחיידקים כמו חיידקים אקריוטים'.ההבחנה המוקדמת יותר של צורות חיים לפרוקריוטים ולאאוקריוטים התבססה על הבדלים פנוטיפיים ברמת אברוני התא. קשר פילוגנטי צריך, במקום זאת, להיות מבוסס על מולקולה בתפוצה רחבה. RNA ריבוזומלי (rRNA) הוא ביומולקולה כזו הקיימת בכל המערכות המשכפלות את עצמן ושהרצפים שלה משתנה מעט מאוד עם הזמן. ניתוח המבוסס על אפיון רצף rRNA חייב קיבוץ של אורגניזמים חיים לאובקטריה (הכוללת את כל החיידקים האופייניים), ארכיא, ואיקריוטים¹.  

לאחר מכן, החלו להופיע עדויות לקשר קרוב יותר בין ארכאים לאאוקריוטים. בשנת 1983, נמצא כי RNA פולימראזות תלויות DNA של archaea ו אקריוטים הם מאותו סוג; שניהם מראים תכונות אימונוכימיות דומות להפליא ושניהם נגזרים ממבנה אבות משותף². בהתבסס על עץ פילוגנטי מורכב משוער של זוג חלבונים, מחקר אחר שפורסם ב-1989, חשף קשר קרוב יותר של ארכאים לאאוקריוטים מאשר לאובקטריה³. בשלב זה, המקור הארכאי של אקריוטים הוקם, אך נותרו לזהות ולחקור מינים ארכאיים מדויקים.  

צמיחה במחקרים גנומיים בעקבות הצלחה ב פרויקט הגנום, סיפק פיליפ נחוץ לאזור זה. בין השנים 2015-2020, מספר מחקרים מצאו כי Asgard ארכיא נושאים גנים ספציפיים לאאוקריוטים. הגנום שלהם מועשר בחלבונים הנחשבים ספציפיים לאאוקריוטים. מחקרים אלו זיהו בבירור את Asgard archaea כבעלת הקרבה הגנטית הקרובה ביותר לאאוקריוט בזכות נוכחותם של מאות גנים של חלבוני חתימה אוקריוטיים (ESPs) בגנום שלהם.  

השלב הבא היה להמחיש פיזית את מבנה המרתף הפנימי של ה-Asgard archaea כדי לאשר את תפקידם של ESPs כפי שמקובל כי ESPs ממלאים תפקיד מפתח ביצירת מבנים תאיים מורכבים. לשם כך, נדרשו תרבויות מועשרות מאוד של ארכיאה זו, אך ידוע כי אסגארד הוא חמקמק ומסתורי. גורם לקושי בגידול בכמות גדולה מספיק כדי ללמוד אותם במעבדה. לפי מחקר שדווח לאחרונה ב-21 בדצמבר 2022, כעת התגבר על הקושי הזה.  

החוקרים, לאחר שש שנים של עבודה מאומצת, אלתרו טכניקות וטיפחו בהצלחה במעבדה, תרבות מועשרת מאוד של 'Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', חבר בפילום אסגרד. זה היה הישג יוצא דופן, גם משום שזה איפשר לחוקרים לדמיין וללמוד את המבנים התאיים הפנימיים של אסגארד.    

טומוגרפיית קריו-אלקטרונים הופעלה כדי לדמיין את תרבות ההעשרה. לתאי אסגרד היו גופי תאי קוקואיד ורשת של בליטות מסועפות. מבנה פני התא היה מורכב. שלד הציטוס השתרע בכל גופי התא. החוטים הדו-גדיליים המעוותים כוללים את Lokiactin (כלומר הומולוגיות אקטין המקודדות על ידי Lokiarchaeota). לפיכך, לתאי אסגרד היה שלד ציטוטי מורכב מבוסס אקטין, שהחוקרים מציעים, קדם לאבולוציה של הראשון אקריוטים.  

בתור העדות הפיזית/חזותית הקונקרטית הראשונה למוצא ארכאי של האוקריוטים, זוהי התקדמות יוצאת דופן בביולוגיה.

*** 

הפניות:  

1. Woese CR and Fox GE, 1977. מבנה פילוגנטי של התחום הפרוקריוטי: הממלכות הראשוניות. פורסם בנובמבר 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Huet, J., ואח' 1983. ל- Archaebacteria ו- Eukaryotes יש פולימראזות RNA תלויות DNA מסוג נפוץ. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Iwabe, N., ואח' 1989. מערכת יחסים אבולוציונית של ארכיבקטריה, איובקטריות ואיקריוטות שהוסקה מעצים פילוגנטיים של גנים משוכפלים. פרוק. Natl Acad. Sci. ארה"ב 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. רודריגס-אוליביירה, ט., ואח'. 2022. ציטושלד אקטין וארכיטקטורת תאים מורכבת בארכיאון של אסגרד. פורסם: 21 בדצמבר 2022. טבע (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***