Биоинформатика

Митохондрии - это эукариотические органеллы, которые когда-то давно были бактериями.

Конечно кто-то может возразить, что это всего лишь гипотеза, однако эта гипотеза уже давно переросла в эндосимбиотическую теорию и является общепринятой в кругах учёных. Так уже давно считается, что митохондрии произошли когда-то от альфа-протеобактерий, вероятно, два миллиарда лет назад. Но, остается неясным, что составляло начальный эндосимбиоз между альфа-протеобактерией и ее хозяином. В частности, какую роль сыграл митохондриальный предок, инициировавший эндосимбиоз? В связи с этим вопросом возникают и другие. Например:

Для объяснения всех обстоятельств и ответов на все вопросы, связанные с основными эндосимбиотическими событиями, выдвигались разные гипотезы зачастую противоречащие друг другу. Так, например, «Водородная гипотеза» предполагала метаболическую синтрофию между водорода-продуцирующими альфа-протеобактериями и водорода-зависимыми археонами, как движущую силу эндосимбиоза.

В связи с этим в последнее время стала набирать ещё одна гипотеза возникновения митохондрий, которая рассказывает нам о паразитических предках митохондриях. Эта гипотеза на данный момент кажется является более достоверной, так как подкрепляется большим количеством данных. Так в 2020 году вышло огромное филогенетическое исследование показывающее близкое родство митохондрий с паразитическими бактериями. [1]

Но не менее интересное исследование, с которого всё и началось, произошло в 2014 году [2].

Хотя мне следует чуть-чуть поправить себя, так как предположения о митохондриях-паразитах высказывались не однократно и ранее, но именно это исследование можно назвать самым крутым и начальной «точкой отсчёта» к последующим событиям в научной среде. Поэтому сегодня именно его я и буду рассматривать.

А всё началось как раз с реконструкции митохондриального предка, который имеет большое влияние на наше понимание происхождения митохондрий. Так все выше описанные мной гипотезы объяснялись исследованиями, которые в основном были сосредоточены на реконструкции последнего общего предка всех современных митохондрий, так называемых прото-митохондрий, но не основывались на более информативных премитохондриях, которые по сути были ещё древнее прото-митохондрии, так как они включали последнего общего предка как митохондрий, так и их сестринской клады альфа-протеобактерий.

Самые известные из них это вольбахии и риккетсиалы (отряд в который входят риккетсии). Последние нас интересуют больше всего, так как именно они успели поучаствовать в реконструкции предка митохондрий, а точнее их метаболизма в 2014-м году.

Так, чтобы получить представление об обстоятельствах, которые окружали начальное событие эндосимбиоза, учёные старательно реконструировали метаболизм прото-митохондрий и премитохондрий. Для этого они сначала восстанавливали прото-митохондриальные гены, которые в процессе эволюции были потеряны для ядра. Учёные назвали эти гены ядерными генами митохондрий. Восстановление этих генов являлось предпосылкой для реконструкции митохондриальных предков. Предыдущие попытки найти прото-митохондриальные гены были безуспешны так как основывались на довольно ограниченной доступности бактериальных и эукариотических геномов на момент их изучения [3;4].

Используя значительно увеличившееся представление геномов эукариот и альфа-протеобактерий, исследователи провели филогеномный анализ для систематической идентификации ядерных генов, происходящих из митохондрий. Гены эукариот с наибольшим попаданием в BLAST митохондрий / альфа-протеобактерий сначала были объединены в группы генов. Филогенетическое дерево было реконструировано для каждого семейства, и ядерные гены, которые сгруппировались с альфа-протеобактериями на деревьях, были идентифицированы как происходящие из митохондрий.

Начав с 427186 генов из 30 эукариотических геномов, представляющих широкий диапазон филогенетического разнообразия, они идентифицировали 4459 генов, принадлежащих к 394 семействам, как ядерные гены митохондрий. Чтобы исключить недавний перенос генов, специфичных для клонов, между альфа-протеобактериями и эукариотами, генные семейства должны были присутствовать по крайней мере в двух альфа-протеобактериальных и двух эукариотических линиях. Собственно, так и произошло. Таким образом учёные смогли идентифицировать, что ядерные гены из 394 семейств присутствуют в прото-митохондриях.

Всё это есть и в современных митохондриях. Однако учёные обнаружили и то, чего в прото-митохондриях не было. Так в них отсутствовали функциональные категории, такие как репликация ДНК и транскрипция, также в значительной степени отсутствовали в реконструированном метаболизме и гетеротрофные углеводные обмены, такие как гликолиз и пентозофосфатный путь. Таким образом реконструкция прото-митохондрии показала упрощённого предка митохондрии более похожего на современную митохондрию, что опровергло предыдущие гипотезы о ближайших предках митохондрий, которые имели огромное множество разнообразных функций.

При дальнейшем изучении уже самих митохондрий учёные по-новому взглянули на метаболизм эукариот, происходящий главным образом благодаря этим органеллам. Особый интерес представлял ряд генов, участвующих в метаболизме липидов эукариот. Были идентифицированы несколько генов, участвующих в биосинтезе нуклеотидов de novo, как происходящих из митохондрий. Обнаружены были и ферменты, участвующие в биосинтезе стероидов предполагающие, что митохондриальный предок внес свой вклад в биосинтез оных. Вишенкой на торте можно назвать идентификацию церамидгликозилтрансферазы (COG1215).

А интересно то, что этот фермент расположенный на «ассоциированной с митохондриями мембране», специфическом субдомене ER, который связывает этот самый ER и митохондрии, обнаружился и в риккетсиях. Для понимания замечу, что все эти самые гликосфинголипидные, и церамидные структуры, повсеместно присутствуют в качестве важных мембранных компонентов почти во всех эукариотических клетках и митохондриях, а это в свою очередь говорит нам о том, что присутствие этих структур в бактериях являются крайне редкими. При этом, что интересно, ген отвечающий за все эти субстраты и гликолипидные продукты, присутствующий в бактериальных клетках всё же различается от эукариотических гликозилтрансфераз. Следовательно, данный факт указывает на бактериальное происхождение этого гена, который был приобретён эукариотами для новой функции по синтезу собственных эндомембран, а также по перекрестному взаимодействию и перемещению липидов между митохондриями и субодменом ER. Интересные результаты не так ли?

В результате получилось, что митохондрии поместились в отряд к риккетсиалам в качестве сестринской клады по отношению к семействам Rickettsiaceae, Anaplasmataceae и Candidatus Midichloriaceae, которую в свою очередь были подчинены семейству Holosporaceae.

Стоит отметить, что представители этих семейств являются паразитами. Так, учёные в этой работе показали, что все пять линий секвенированных риккетсиалов тесно связаны с митохондриями. Далее основываясь на приблизительной линейной зависимости между числом семейств генов, средним числом генов и размером генома учёные заметили, что геном премитохондрий сокращался. Это типично для облигатной внутриклеточной бактерии и предполагает, что сокращение генома шло полным ходом до того, как митохондрии отделились от альфа-протеобактерий, т. е. стали настоящими митохондриями.

Продолжив генетические исследования, учёные стали сравнивать реконструированные прото-митохондрии и премитохондрии. Оказалось, что в отличии узкоспециализированных прото-митохондрий, премитохондрии были способны к гораздо более разнообразному метаболизму. Помимо основных путей, премитохондрии участвовали в трансляции, в клеточной стенке, LPS и биогенезе мембран, в производстве энергии, репликации, рекомбинации и репарации ДНК, они обладали множеством ключевых метаболических путей, включая гликолиз, цикл TCA, пентозофосфатный путь и путь биосинтеза жирных кислот. Кроме того, премитохондрии обладали большим количеством генов, участвующих в синтезе различных кофакторов, таких как рибофлавин, фолат, биотин и убихинон.

Дальнейшие исследования премитохондрий показали, что они кодируют пластидно-паразитарный тип транслоказы АТФ / АДФ, которая импортирует АТФ от хозяина, что делает премитохондрию энергетическим паразитом. Последующие сравнения генов риккетсиалов с премитохондриями, а также построения филогенетических деревьев показало, что премитохондрии вероятно обладали способностью дышать в условиях низкого содержания кислорода и имели жгутики, которые наследовались вертикально, а не через горизонтальный перенос. Электронная микроскопия части эндосимбиотических бактерий также показала наличие рудиментарных жгутиков. Т.е. данное исследование показывает нам предка митохондрии, который мог жить в условиях с низким содержанием кислорода, обладающим жгутиком и являющимся паразитом, что, казалось бы, прямо контрастирует с нынешней ролью митохондрий как производителя энергии клетки.

Однако, систематический обзор от 2011 года бактериального симбиоза показал, что мутуализмы вполне себе могут происходить либо непосредственно от свободноживущих бактерий в окружающей среде, либо от внутриклеточных паразитов [5]. Ключевое различие между этими двумя эволюционными путями состоит в том, что для инициации симбиоза свободноживущие бактерии должны приносить немедленную пользу хозяину, в то время как внутриклеточные паразитические бактерии этого не делают.

Вместо опровержения прошлых предположений данная гипотеза предлагает применять их для объяснения перехода митохондрий от паразита к мутуалистической органелле на более поздней стадии. Это всё очень интересно, а потому есть большая вероятность, что гипотеза о предках митохондриях как паразитах возможно скоро станет научной теорией. Поэтому если, кто-то назовёт Вас паразитом, не обижайтесь, ведь можно парировать, что паразитизм у нас в крови, а точнее в клетках. Такие дела!

Автор: биолог, вдохновитель научного сообщества Фанерозой, Ефимов Самир

Оригиналы: Публикация фанерозойских материалов на платформе "Вконтакте", "Хабр" и "Пикабу".

1. «Phylogenetic analyses with systematic taxon sampling show that mitochondria branch within Alphaproteobacteria» Lu Fan, Dingfeng Wu, Vadim Goremykin, Jing Xiao, Yanbing Xu, Sriram Garg, Chuanlun Zhang, William F. Martin and Ruixin Zhu; Nature Ecology & Evolution, 2020

2. Phylogenomic Reconstruction Indicates Mitochondrial Ancestor Was an Energy Parasite Zhang Wang, Martin Wu Published: October 15, 2014Gabaldon T, Huynen MA (2003) Reconstruction of the proto-mitochondrial metabolism. Science 301: 609.

3. Gabaldon T, Huynen MA (2007) From endosymbiont to host-controlled organelle: the hijacking of mitochondrial protein synthesis and metabolism. PLoS Comput Biol 3: e219.

4. Gabaldon T, Huynen MA (2007) From endosymbiont to host-controlled organelle: the hijacking of mitochondrial protein synthesis and metabolism. PLoS Comput Biol 3: e219.

5. Sachs JL, Skophammer RG, Regus JU (2011) Evolutionary transitions in bacterial symbiosis. Proc Natl Acad Sci U S A 108 Suppl 210800–10807.

Новосибирские генетики разрабатывают мобильные приложения для сельского хозяйства, создают пивоварные сорта ячменя, устойчивую к заболеваниям пшеницу и расшифровывают геномы растений. Тайга.инфо рассказывает о работе Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ) в новосибирском Академгородке.

Геномный центр мирового уровня

Институт цитологии и генетики СО РАН вошел в состав Курчатовского геномного центра осенью 2019 года. Это консорциум организаций во главе с национальным исследовательским центром «Курчатовский институт».

«В России открыли несколько геномных центров мирового уровня по разным направлениям. Чтобы друг другу не перекрывать пути, центрам даны несколько разные задачи. У нашего центра основной приоритет — решение задач агротехнологий и биотехнологии с применением современных генетических методов», — рассказал Тайге.инфо ведущий научный сотрудник Курчатовского геномного центра ИЦиГ Сергей Лашин.

По словам ученого, объединение институтов в консорциум позволило исследователям делиться приборной базой и компетенциями. Помимо этого, они получили финансирование на более масштабные исследования.

«Теперь мы можем эти технологии развивать не по остаточному принципу, как у нас было раньше, а создать необходимую материально-техническую базу, чтобы эти работы можно было масштабировать. Применять технологии в том масштабе, которого требует сельское хозяйство», — рассказала Тайге.инфо руководитель Курчатовского геномного центра ИЦиГ Елена Салина.

Ученые ИЦиГ работают по трем направлениям: сельское хозяйство промышленная микробиология и биоинформатика. Внутри них есть разные команды, которые взаимодействуют друг с другом, но решают разные задачи.

Библиотека моделей геномов микроорганизмов

Сергей Лашин возглавляет одну из команд биоинформатиков. Основная задача, над которой работают ученые, это создание электронной библиотеки с максимально полным описанием микроорганизмов (собирательное название живых организмов, которые слишком малы для того, чтобы быть видимыми невооруженным глазом — прим. Тайги.инфо) из коллекций институтов-участников консорциума.

Ученые рассчитывают, что эта библиотека поможет синтезировать полезные вещества для решения биотехнологических задач сельского хозяйства и экологии. Например, можно будет создать аминокислоты для подкормок и корм для крупного рогатого скота, который сейчас приходится покупать за границей. Доступ к информации из базы данных пока имеют только участники Курчатовского геномного центра.

«Для начала необходимо очень хорошо и качественно описать те коллекции микроорганизмов, которые есть в России. Они описаны, как правило, по-старинке, без учета геномной информации, и в целом количество указанных там параметров относительно небольшое. В лучшем случае просто приведён секвенированный геном, но зачастую нет и его», — рассказал Лашин.

Такой информации недостаточно, чтобы говорить о метаболическом потенциале микроорганизмов. Поэтому ученые конструируют новую библиотеку, где все описания геномов (совокупность наследственного материала, заключенного в клетке организма — прим. Тайги.инфо) и их моделей будут более подробными.

Для этого необходимо секвенировать (установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК — прим. Тайги.инфо) все геномы микроорганизмов, которые есть в коллекциях. А также описать их и составить сначала структурную модель, в виде карты процессов, протекающих в клетке конкретного микроорганизма, а потом и математическую модель.

«Когда получается математическая модель, можно проигрывать с ней различные сценарии. Например, добавлять или убирать гены (наследственный фактор, который несет информацию об определенном признаке или функции организма, структурная и функциональная единица наследственности — прим. Тайги.инфо), или изменять их активность и смотреть, как при этом изменяется поведение клетки. Если клетка начинает производить больше нужного вещества, тогда мы считаем, что это то воздействие, которое нам нужно, — рассказал Лашин. — Это чем-то похоже на компьютерные игрушки, только с тем, что пришло из реального мира, что природа выдумала».

Сама библиотека уже создана, но в ней есть информация только о 227 геномах. По словам ученого, они уже сейчас ждут поступления еще 300 геномов, а к концу года в коллекции их может быть около 750. Они должны были прийти к ученым раньше, но пандемия коронавируса внесла свои коррективы в графики работы.

Главным своим результатом сейчас ученые называют создание базы данных. Лашин также отметил, что они работают над задачами центра меньше года и для такого срока налаженная работа и успешное взаимодействие экспериментаторов с теоретиками — уже достижение.

«Другой важный момент, это то, что растет компетенция команды. У нас много молодежи, и то, как их профессиональный уровень вырос за этот неполный год, это очень радует. Они даже близко не могли решать такие задачи тогда, а сейчас уже могут», — поделился ученый.

Он уточнил, что если центру удастся за 5 лет создать 5−10 штаммов для решения биотехнологических и сельскохозяйственных задач, это будет очень хороший результат.

Автоматизация описания геномов

Изначально проводить описание геномов для заполнения библиотеки надо было вручную, что занимало много времени. Для решения этой проблемы ученые ИЦиГ работают над созданием специальной программы, которая помогает автоматизировать этот процесс.

«Мы хотим, чтобы она работала так: приходит новый геном с прибора, загружается в систему, мы нажимаем одну кнопочку и все стадии делаются автоматически», — поделился Лашин.

Ученые уже создали рабочий прототип этой платформы, но часть этапов им еще приходится делать вручную. По мнению Сергея Лашина, им нужно вручную испробовать систему примерно на 2 тысячах геномов, чтобы все отладить и полностью автоматизировать.

Геномы сибирской пшеницы, картофеля и ячменя

Вторая команда биоинформатиков Курчатовского геномного центра работает вместе с генетиками. Они выводят сорта сельскохозяйственных растений, которые будут более устойчивы к заболеваниям, погоде и другим условиям.

Одна из больших задач в этом направлении — секвенирование и расшифровка геномов растений. Ученые собираются расшифровать цепочки ДНК нескольких сортов пшеницы, около пяти ячменя и десятки сортов картофеля.

Исследователи будут разрабатывать методы и подходы для расшифровки, чтобы затем оценить генетическое разнообразие растений сибирских линий. Это облегчит генетикам поиск более выгодных мутаций и характеристик. Например, они смогут обнаружить линию растений, устойчивую к заболеваниям, потом найти гены, которые этим управляют и перенести эти свойства на другие сорта. Это ускорит работу селекционеров.

«Чтобы закрепить гены в сорте, нужно провести очень много скрещиваний. Селекционер отбирает по какому-то признаку — он скрещивает, отбраковывает, затем снова скрещивает. Этот процесс очень длительный. На самом деле все эти гены устойчивости присутствуют в диких сородичах растений, поскольку они живут в условиях, где человек их не обхаживает, где им приходится бороться со стрессом», — рассказал Тайге.инфо ведущий научный сотрудник Курчатовского геномного центра ИЦиГ Дмитрий Афонников.

Биоинформатики находят необходимые гены, а затем с ними работают генетики. Сейчас ученые уже получили геномные последовательности по сортам пшеницы, их тестируют и проверяют на качество.

«Наши практические задачи в области пшеницы — это ускорение процессов селекции с применением генетических технологий и создание сортов по заказу селекционеров — например, раннеспелых или позднеспелых, устойчивых к заболеваниям», — говорит руководитель центра Елена Салина.

Например, генетики работают над разработкой пивоварных ячменей на основе российских сортов. По словам Салиной, сейчас в производстве пива используются в основном импортные сорта.

Как уточнил Дмитрий Афонников, есть гены, которые представлены во всех растениях одного вида, а есть те, которые отличаются в разных сортах. И именно те гены, которые варьируются, обычно отвечают за устойчивость к заболеваниям и прочие полезные характеристики.

В ИЦиГ ученые выделяют ДНК, затем материал отправляют почтой в Курчатовский институт в Москве, где его секвенируют на специальном оборудовании. После этого данные по секвенированию пересылают онлайн новосибирским ученым и они их обрабатывают.

Мобильные приложения для изучения растений

Вторая важная задача ученых — фенотипирование растений. Это изучение взаимосвязи между характеристиками растения и его поведением в природе.

«Основным способом для изучения этих связей является статистика. Берут большое количество растений и сравнивают связь мутации со свойством — урожайностью, устойчивостью к болезням, размером колоса. Чтобы сопоставить 90 тыс мутаций, нужно проанализировать сотни или даже тысячи растений. Линейкой померить у каждого растения рост или посчитать колоски — это очень сложно. Сейчас развиваются технологии компьютерного фенотипирования, когда большую часть измерений можно сделать автоматически, не привлекая человека», — объяснил Дмитрий Афонников.

Ученые ИЦиГ СО РАН разрабатывают программы, которые позволяют с помощью фотографии делать необходимые измерения — форму, размер, цвет колосьев. Несколько лет назад они выпустили в свободный доступ мобильное приложение «SeedCounter». Оно определяет по фотографии растения количество зерен и их размер. Эти данные автоматически переносятся в таблицы, чтобы их затем их можно было использовать в исследованиях.

Приложение уже активно используется селекционерами, его скачали более тысячи раз. С помощью него провели исследования, которые опубликованы как в российских, так и в зарубежных журналах.

По словам Афонникова, такие программы уже активно используются во всем мире, но есть методики, которые разработали именно в ИЦиГ.

«Мы впервые разработали метод, который позволяет очень точно характеризовать форму и размер колосьев. Также планируется, что у нас будут методы полевого наблюдения — когда можно будет с коптера фотографировать поле растений и по изображению определять их состояния. В мире так все работают, но мы действуем на передовой», — поделился ученый.

Ученый также рассказал, что в будущем они планируют развивать программы для мобильных устройств, так как их удобно использовать. Сейчас в разработке программа, которая сможет определять типы заболевания пшеницы по фотографии.

Их приложения разрабатываются для растений, но в итоге они могут использоваться и для других целей. Например, в лаборатории по изучению генетики плодовых мушек-дрозофил с помощью программы считали потомство и так изучали плодовитость насекомых.