Wissenschaftler haben möglicherweise eine fehlende Verbindung zwischen einfachen und komplexen Zellen entdeckt, aus denen alle Tiere, Pflanzen und Pilze bestehen.
Wissenschaftler betrachten einzellige Organismen namens Archaea als zwischen primitiven Bakterien, denen ein Kern fehlt, und komplexeren Zellen oder Eukaryoten auf der Evolutionszeitachse. Wie ihre bakteriellen Cousins fehlt Archaea ein Kern, aber die Mikroben enthalten DNA und DNA-replizierende Enzyme, die denen in Eukaryoten sehr ähnlich sind.
Einige Wissenschaftler vermuten, dass sich Eukaryoten vor etwa 2 Milliarden Jahren aus diesen Zwischenorganismen entwickelt haben, als eine alte Archaee einen vorbeiziehenden Mikroorganismus ergriff, ihn in seinen Zellbauch saugte und ihn in einen provisorischen Kern verwandelte. Andere schlagen vor, dass eine Ahnenarchaea wandernde "Bläschen" aussandte, die aus ihrer eigenen Zellwand aufgebaut waren und sich an hilfreiche einzellige Organismen klammerten und diese dann integrierten, die wie moderne Organellen funktionierten, oder an organähnliche Strukturen in Zellen, die sich spezialisierten Funktionen.
Die Details dieses großen evolutionären Ereignisses bleiben trübe, auch weil Wissenschaftler kaum Hinweise auf die Übergangszeit zwischen einfachen und komplexen Zellen gefunden haben. Jetzt haben Forscher eine mögliche Brücke zwischen Prokaryoten und Eukaryoten gefunden: eine bemerkenswerte Ähnlichkeit, die in ihren Proteinen kodiert ist.
In Eukaryoten tragen bestimmte Proteine kurze Sequenzen, die als Kernlokalisierungssignale oder NLS bekannt sind, um in den Kern einzutreten. Transporterproteine binden an NLS und eskortieren dann ein anderes Molekül durch die Poren in der Kernmembran. Im Wesentlichen verhalten sich NLS wie ein zellulares Sicherheitsabzeichen.
Obwohl Archaea keine Kerne haben, tragen einige ihrer Proteine ohnehin NLS-ähnliche Abzeichen, so die am 10. September in der Zeitschrift Molecular Biology and Evolution veröffentlichte Studie. Die Autoren schlagen vor, dass NLS vor dem Ursprung des Kerns liegen und möglicherweise als evolutionäres Sprungbrett gedient haben, das es den Archaeen ermöglichte, sich allmählich zu einem komplexen Leben zu entwickeln.
"Die Natur neigt dazu, aus dem zu erfinden, was sie bereits hat", sagte der Evolutionsbiologe Sergey Melnikov, Postdoktorand an der Yale University und Mitautor der Studie.
Diese NLS-Abzeichen weisen auf eine Zwischenform zwischen einfachen und komplexen Zellen hin - ein Befund, der der Entdeckung eines vogelähnlichen Dinosauriers oder eines kriechenden Fisches als Paläontologe entspricht, sagte Melnikov gegenüber LIve Science. "Dies ist ziemlich einzigartig, um zu behaupten, dass diese in Archaea existieren ... Niemand hat gedacht, dass sie in Archaea nach NLS suchen sollten", sagte der Computerbiologe Aravind Iyer, der die Protein- und Genomentwicklung am Nationalen Zentrum für Biotechnologie-Informationen untersucht. war aber nicht an der aktuellen Studie beteiligt.
Aber nicht jeder ist überzeugt: Zwei Experten sagten gegenüber Live Science, dass NLS möglicherweise nicht die evolutionäre Rauchwaffe sind, die zeigt, wie sich einfache Zellen zu komplexeren entwickelt haben.
Nach zellulären Fossilien graben
Anstatt durch Skelettreste zu graben, ging Melnikov durch die ribosomalen Proteine der Zellen, um ihre Evolutionsgeschichte zusammenzusetzen. (Ribosomen sind zelluläre Fabriken, die beim Aufbau von Proteinen helfen.)
"Es gibt nur eine Handvoll Gene, die allgegenwärtig sind", was bedeutet, dass sie in allen Lebensformen vorhanden sind, sagte Melnikov. Etwa die Hälfte dieser konservierten Gene kodiert für ribosomale Proteine, was darauf hindeutet, dass die Proteine ein langwieriges evolutionäres Erbe haben, das möglicherweise bis zum Beginn des Lebens zurückreicht. Bei Eukaryoten gelangen ribosomale Proteine in den zu modifizierenden Kern, bevor sie sich im Zytoplasma niederlassen. Dank ihrer NLS haben sie einen einfachen Zugang zum Kern.
Durch den Vergleich der Struktur von ribosomalen Proteinen aus allen drei Lebensbereichen - Archaea, Bacteria und Eukarya - wollte Melnikov diese Signatursequenzen erkennen. Die von ihm untersuchten Archaea-Gruppen gehören zu denen, die heute in der Natur zu finden sind.
Und siehe da, Melnikov und seine Kollegen haben vier archaische Proteine entdeckt, die mit Sicherheitsabzeichen ausgestattet sind, die ihren eukaryotischen Gegenstücken ähneln. NLS-ähnliche Sequenzen traten in mehreren Gruppen von Archaea auf, sodass die Forscher schlussfolgerten, dass das Merkmal früh in der archaischen Evolutionsgeschichte aufgetreten war. (In Archaea hilft das NLS den Organismen jedoch wahrscheinlich hauptsächlich dabei, Nukleinsäuren, die Bausteine von DNA und RNA, leichter zu identifizieren. Während eukaryotische NLS auch diese Funktion erfüllen, sind sie besser dafür bekannt, Proteinen in den Kern zu helfen.)
Das Team testete weiter, ob die NLS in allen Lebensbereichen funktionell austauschbar waren, und tauschte ein eukaryotisches Abzeichen gegen ein archaisches aus. Unter einem Lichtmikroskop schienen die archaealen NLS genau wie eukaryotische NLS zu funktionieren und gewährten ihren assoziierten Proteinen VIP-Zugang zum Kern. Trotz der gleichen Funktionen sind die NLS in Eukaryoten und Archaea möglicherweise nicht evolutionär verwandt, sagen Experten.
Iyer zum Beispiel bleibt zweifelhaft. NLS bestehen aus nur fünf bis sechs Proteinbausteinen, den sogenannten Aminosäuren. Aufgrund ihrer kurzen Länge und ihrer besonderen chemischen Struktur ist es statistisch gesehen wahrscheinlich, dass NLS zufällig in Proteinen vorkommen, sagte Iyer gegenüber Live Science.
Mit anderen Worten, die archaischen und eukaryotischen Sequenzen könnten unabhängig voneinander aufgetaucht sein und wären daher nicht evolutionär verwandt. Iyer sagte, er wäre überzeugter, wenn weitere Forschungen archaische NLS in zusätzlichen Proteinen aufdecken würden, die denen ähneln, die in Eukaryoten in den Kern gelangen.
"Letztendlich zeigt dies nur, dass diese Sequenzen wahrscheinlich den Kernen vorausgingen", sagte Buzz Baum, Zell- und Evolutionsbiologe am MRC-Labor für molekulare Zellbiologie in England, Live Science in einer E-Mail. Archaeen, die viele genetische Ähnlichkeiten mit modernen Eukaryoten aufweisen, fehlen immer noch Kerne und Organellen, so dass es schwer zu erkennen ist, wie diese NLS zur Entwicklung von Kernen geführt haben.
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Ursprünglich veröffentlicht am Live Science.
