لینک کوتاه مطلب : https://hsgar.com/?p=3314

میتوکندری و منشا یوکاریوت ها

آیا اندامک‌های نیروگاهی نیروی محرکه‌ای بودند یا در تکامل سلول‌های پیچیده‌تر مانند سلول‌های ما متأخر بودند؟

برای میلیاردها سال پس از پیدایش حیات، تنها موجودات زنده روی زمین سلول های ریز و ابتدایی شبیه باکتری های امروزی بودند. اما پس از آن، بیش از 1.5 میلیارد سال پیش، اتفاق قابل توجهی رخ داد: یکی از آن سلول های بدوی، متعلق به گروهی به نام آرکیا، یک باکتری دیگر را بلعید – یک باکتری.

این باکتری به جای هضم شدن، در درون ارگانیسم دیگر به عنوان چیزی که زیست شناسان آن را درون همزیستی می نامند، ساکن شد. در نهایت، به طور کامل در سلول میزبان باستانی خود ادغام شد و تبدیل به چیزی شد که امروزه به عنوان میتوکندری، جزء حیاتی تولید کننده انرژی در سلول، می شناسیم.

به دست آوردن آن مدت‌هاست که به عنوان گام کلیدی در آنچه مسلما مهم‌ترین جهش تکاملی از زمان پیدایش خود حیات است تلقی می‌شود: انتقال از سلول‌های اولیه اولیه یا پروکاریوت‌ها به سلول‌های پیچیده‌تر ارگانیسم‌های بالاتر یا یوکاریوت‌ها، از جمله خودمان. .

این داستان تمیزی است که در اکثر کتاب های درسی زیست شناسی خواهید یافت – اما آیا به همین سادگی است؟ در چند سال گذشته، شواهد جدید این تصور را که میتوکندری نقش اساسی در این انتقال ایفا کرده است، به چالش کشیده است. محققانی که توالی ژنوم بستگان امروزی اولین یوکاریوت ها را تعیین کرده اند، ژن های غیرمنتظره زیادی پیدا کرده اند که به نظر نمی رسد نه از میزبان و نه از درون همزیستی آمده باشند. و برخی از دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که ممکن است به این معنا باشد که تکامل اولین یوکاریوت‌ها شامل بیش از دو شریک بوده و تدریجی‌تر از حد تصور اتفاق افتاده است.

برخی دیگر هنوز دلیلی برای کنار گذاشتن این نظریه نمی‌بینند که کسب میتوکندری جرقه‌ای بود که باعث شعله‌ور شدن تکامل سریع یوکاریوت‌ها شد – پس از گذشت سال‌ها، گیاهان، حیوانات، مهره‌داران و مردم به وجود آمدند. شواهد تازه از ژنومیک و زیست‌شناسی سلولی ممکن است به حل این بحث کمک کند، در حالی که به شکاف‌های دانشی نیز اشاره می‌کند که هنوز باید برای درک یکی از رویدادهای اساسی در اجداد خودمان، یعنی منشأ سلول‌های پیچیده، پر شود.

موارد اضافی مرموز

ژن های اسرارآمیز در دهه گذشته زمانی که محققان از جمله تونی گابالدونژنومیدان تکاملی در مرکز ابررایانه بارسلونا و همکارانش از فناوری ارزان قیمت توالی‌یابی ژن امروزی برای کشف ژنوم طیف وسیعی از یوکاریوت‌ها، از جمله چندین خویشاوند مبهم، بدوی و مدرن یوکاریوت‌های اولیه استفاده کردند.

آنها انتظار داشتند ژن هایی را پیدا کنند که نسب آنها به میزبان باستانی یا جد میتوکندری، عضو گروهی به نام آلفاپروتئوباکتری ها بازمی گردد. اما در کمال تعجب، دانشمندان ژن هایی را نیز یافتند که به نظر می رسید از طیف وسیعی از باکتری های دیگر می آیند.

گابالدون و همکارانش فرض کردند که جد سلولی یوکاریوت ها این ژن ها را از شرکای مختلف به دست آورده است. این شرکا می‌توانستند همزیست‌های درونی دیگری باشند که بعداً از بین رفتند، یا باکتری‌های زنده‌ای که یک یا چند ژن خود را در فرآیندی مشترک به نام انتقال افقی ژن به میزبان اجدادی منتقل کردند. در هر صورت، آنها پیشنهاد کردند تانگو که منجر به یوکاریوت ها می شود بیش از دو رقصنده را شامل می شود.

گابالدون، که در مورد تکامل اولیه یوکاریوت ها در سال 2021 بررسی سالانه میکروبیولوژی.

سخت است بدانیم دقیقاً آن ژن های خارجی باستانی از کجا آمده اند، زیرا زمان زیادی سپری شده است. اما بسیاری از اندوسیمبیوزهای جدیدتر و سست‌تر وجود دارند که در آنها شناسایی منشا ژن‌های خارجی آسان‌تر است. جان مک کاچون ، یک زیست شناس سلولی تکاملی در دانشگاه ایالتی آریزونا در تمپ که در مورد تکامل درون همزیستی در سال 2021 بررسی سالانه زیست شناسی سلولی و تکاملی. او می‌گوید که مطالعه اینها، بر اساس قیاس، می‌تواند به ما در درک چگونگی تکامل میتوکندری‌ها و اولین یوکاریوت‌ها کمک کند.

جفت سلولی

یک مثال بارز، مشارکت تقریباً 100 میلیون ساله بین حشرات به نام شپشک آرد آلود و دو درون همزیستی باکتریایی است که یکی در داخل دیگری در سلول‌های شپشک‌های آرد آلود قرار دارد. (اندوسیمبیون ها اسیدهای آمینه ضروری می سازند که شپشک آرد آلود نمی تواند از رژیم غذایی خود دریافت کند.)

مک کاچون و همکارانش بر اساس یک تجزیه و تحلیل ژنومی دریافتند که مسیرهای متابولیکی شپشک‌های آردآلود اکنون موزاییکی است که از ژن‌هایی تشکیل شده است که از خود حشرات منشأ گرفته، با درون همزیستی‌های خود وارد شده یا با انتقال افقی از سایر میکروب‌ها در محیط جمع‌آوری شده‌اند. .

تیم McCutcheon نشان داد برای انجام این کار، سلول‌های شپشک آردآلود باید دستگاهی را ایجاد می‌کردند که پروتئین‌ها را بین ارگانیسم‌هایی که زمانی مستقل بودند به این سو و آن سو منتقل می‌کرد – به سلول‌های شپشک آرد آلود اجازه می‌داد تا در دو مجموعه غشای درون همزیستی برای استفاده توسط درونی‌ترین درون همزیستی سفر کنند.

چیزی مشابه در یک یوکاریوت تک سلولی آمیب مانند به نام رخ می دهد پائولینلا. پائولینلا دارای درون همزیستی است که ده‌ها میلیون سال پیش غرق شده است و به آن اجازه می‌دهد انرژی را از نور خورشید بدون اندامک‌های کلروپلاست که معمولاً فتوسنتز را تامین می‌کنند، جمع‌آوری کند. اوا نواک، که رهبری آزمایشگاهی در دانشگاه دوسلدورف در آلمان را بر عهده دارد، این را کشف کرد پائولینلااکنون ژنوم ژنوم حاوی ژن‌هایی از درون همزیستی به همراه سایر ژن‌هایی است که از طریق انتقال افقی ژن به دست آمده‌اند.

قابل توجه، endosymbiont واردات بیش از 400 پروتئین از میزبان، بنابراین باید سیستم انتقال پروتئین پیچیده ای مانند شپشک های آرد آلود را نیز ایجاد کرده باشد. تکامل مولکولی می گوید: «این کاملاً هیجان انگیز است اندرو راجر، که تکامل اندامک ها را در دانشگاه دالهوسی در هالیفاکس، کانادا مطالعه می کند، زیرا نشان می دهد که تکامل دوباره این سیستم های حمل و نقل آنقدرها که قبلا تصور می شد دشوار نیست.

این مثال‌ها نشان می‌دهند که چگونه درون همزیستی‌ها با میزبان‌های خود یکپارچه می‌شوند و نشان می‌دهند که انتقال افقی ژن از منابع مختلف می‌تواند در اوایل تکامل یوکاریوت‌ها نیز بسیار مکرر بوده باشد. مک کاچئون می گوید: «این چیزی را که در شکل گیری میتوکندری اتفاق افتاد نشان نمی دهد، اما نشان می دهد که امکان پذیر است.

دیگران موافقند. شواهد قوی زیادی برای انتقال افقی ژن در یوکاریوت ها وجود دارد، بنابراین دلیلی وجود ندارد که بگوییم در آن دوره انتقال پروکاریوت-یوکاریوت ممکن نبوده باشد. راجر می‌گوید در واقع، تقریباً به طور قطع این اتفاق افتاده است.

خرید ژن

نتیجه این است که میزبان باستانی می‌توانست به تدریج ویژگی‌های یوکاریوتی را یکی یکی کسب کند، مانند خریدار که اقلامی را در یک کیسه خرید قرار می‌دهد، از طریق انتقال افقی ژن یا با بلعیدن یک سری همزیستی درونی. جان آرچیبالد ، ژنومیست تطبیقی ​​در دانشگاه دالاهو. برخی از آن ژن‌های تازه به‌دست‌آمده می‌توانستند برای میزبان مفید باشند زیرا بقیه ماشین‌های موجود در سلول‌های یوکاریوتی مدرن را تکامل می‌دهند.

اگر چنین بود، زمانی که میزبان باستانی پیش ساز میتوکندری را بلعید، قبلاً دارای بسیاری از ویژگی های یوکاریوتی بود، شاید از جمله برخی از اندامک ها، بخش های داخلی احاطه شده توسط غشاء – به این معنی که میتوکندری ها محرک اصلی تکامل یوکاریوتی نبوده اند، اما اضافه شدن دیرهنگام

اما علیرغم تمام شواهدی که از یک فرضیه تدریجی برای تکامل یوکاریوت ها حمایت می کند، دلایلی برای شک وجود دارد. اولین مورد این است که این اندوسیمبیوزهای اخیر ممکن است چیز زیادی در مورد آنچه در زمان پیدایش یوکاریوت ها اتفاق افتاده است به ما نگویند – بالاخره در این موارد بعدی سلول های میزبان مدرن قبلاً یوکاریوت بودند.

بیل مارتین، زیست شناس تکاملی که منشا یوکاریوت ها را در دانشگاه دوسلدورف مطالعه می کند، می گوید: «این نمونه ها به ما می گویند که وقتی یک سلول یوکاریوتی دارید، چقدر آسان است که درون همزیست های درون سلولی ایجاد کنید. اما یوکاریوت ها در حال حاضر تمام ماشین های درون سلولی مورد نیاز برای بلعیدن سلول دیگر را دارند. مارتین می‌گوید، اصلاً مشخص نیست که پروتو-یوکاریوت اجدادی چنین توانایی را داشته باشد – که باعث می‌شود مانع برای اولین همزیستی درونی بسیار بیشتر شود. به نظر او، این مخالفت با تکامل تدریجی سلول یوکاریوتی است.

در واقع، برخی شواهد نشان می‌دهند که ویژگی‌های کلیدی یوکاریوتی به‌جای تدریجی، به یکباره به دست آمده‌اند. همه یوکاریوت ها دارای مجموعه اندامک های مشابهی هستند که برای هرکسی که زیست شناسی سلولی را مطالعه کرده است آشنا هستند: هسته، هسته، ریبوزوم، شبکه آندوپلاسمی خشن و صاف، دستگاه گلژی، اسکلت سلولی، لیزوزوم و سانتریول. (گیاهان و چند یوکاریوت فتوسنتزی دیگر یک ماده اضافی دارند، کلروپلاست، که همه موافقند که از طریق درون همزیستی جداگانه بوجود آمده است.)

این به شدت نشان می‌دهد که سایر اندامک‌ها همگی تقریباً در یک زمان منشأ گرفته‌اند – اگر اینطور نبود، دودمان‌های یوکاریوتی مختلف باید ترکیب‌های متفاوتی از اندامک‌ها داشته باشند. جنیفر لیپینکات-شوارتز، زیست شناس سلولی در پردیس تحقیقاتی جانلیا در موسسه پزشکی هاوارد هیوز در ویرجینیا.

برخی از شواهد بیوشیمیایی نیز همین را نشان می دهد. میزبان اجدادی و اندوسیمبیونت متعلق به شاخه‌های مختلف درخت زندگی – به ترتیب باستان‌ها و باکتری‌ها – بودند که از مولکول‌های مختلفی برای ساختن غشای خود استفاده می‌کنند. هیچ یک از غشاهای اندامک های یوکاریوتی منحصراً ساختار باستانی ندارند، بنابراین بعید است که از سلول میزبان اجدادی آمده باشند. در عوض، این نشان می‌دهد که میزبان باستانی سلول نسبتاً ساده‌ای بوده که اندامک‌های دیگر خود را تنها پس از ورود جد میتوکندری تکامل داده است.

اما در مورد همه آن ژن های خارجی مرموز که اخیراً در شجره خانواده یوکاریوتی یافت شده اند، چه می توان گفت؟ مارتین می گوید که یک توضیح احتمالی دیگر نیز وجود دارد. همه آن ژن‌های خارجی می‌توانستند در یک بسته با اندوسیمبیونتی که به میتوکندری تکامل یافته است وارد شوند. بعدها – در 1.5 میلیارد سال پس از آن رویداد – این ژن‌ها می‌توانستند در میان بسیاری از گروه‌های باکتریایی پراکنده شده باشند، به دلیل سهولت تعویض ژن‌ها توسط باکتری‌ها. این تصور نادرست را ایجاد می کند که چندین شریک ژن در یوکاریوت اولیه نقش داشته اند.

علاوه بر این، مارتین می افزاید، اگر ایده تدریجی درست باشد، دودمان های مختلف یوکاریوت ها باید اساساً و به طور قابل اندازه گیری مجموعه های متفاوتی از ژن ها داشته باشند، اما او نشان داده است. آنها نمی کنند. مارتین می گوید: «هیچ مدرکی وجود ندارد که نشان دهد خریدهای سریالی وجود داشته است. یک کسب میتوکندری در منشا یوکاریوت ها کافی است.

بعید است که این بحث به زودی حل شود. راجر می‌گوید: «پیدا کردن داده‌هایی که ما را به وضوح بین این گزینه‌ها تمایز قائل شوند، بسیار سخت است. اما اگر مطالعات بیشتر در مورد یوکاریوت‌های مبهم و بدوی برخی را نشان دهد که فقط زیر مجموعه‌ای از اندامک‌های یوکاریوتی دارند، این می‌تواند به فرضیه تدریجی وزن کمک کند. از سوی دیگر، اگر شواهدی برای راهی یافت شود که یک سلول باستانی ساده می‌تواند درون همزیستی به دست آورد، فرضیه «میتوکندری اولیه» قابل قبول‌تر می‌شود.

آرچیبالد می‌گوید: «مردم به سمت سؤال‌های بزرگ کشیده می‌شوند، و هر چه پاسخ به آنها سخت‌تر باشد، مردم بیشتر به سمت آنها کشیده می‌شوند و درباره آنها بحث می‌کنند». “این چیزی است که آن را سرگرم کننده می کند.”

این مقاله در ابتدا در
مجله دانستنی، یک تلاش روزنامه نگاری مستقل از Annual Reviews. برای خبرنامه ثبت نام کنید.

لینک منبع

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.