Проблемы Эволюции

Проблемы Эволюции

Паразитическая бактерия Wolbachia и проблема происхождения эвкариотической клетки

Марков Рђ. Р’., Захаров Р?. Рђ.

Палеонтол. журн. 2006. №1. С. 1-11.

 

Палеонтол. журн. 2006. №1. С. 1-11.

УДК 576.6:579.881

Наш обзор "Бактерия вольбахия - повелитель мух"

А.В.Марков. Бактерии контролируют размножение и развитие животных

ПАРАЗИТИЧЕСКАЯ БАКТЕРИЯ WOLBACHIA И ПРОБЛЕМА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЭВКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ

© 2006 г. А.В.Марков 1, И.А.Захаров 2

1Палеонтологический Институт РАН

2Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН

Поступила в редакцию 22.03.2005 г.

 

Приобретение эндосимбионтов — альфапротеобактерий, давших начало митохондриям, было одним из ключевых событий на пути становления эвкариотической клетки. Для реконструкции этого процесса большое значение может иметь анализ взаимоотношений, складывавшихся в более позднее время у эвкариот с другими альфапротеобактериями. В качестве модельного объекта рассматривается бактерия Wolbachia pipientis, живущая в клетках многих наземных беспозовоночных и отличающаяся чрезвычайным разнообразием эффектов, оказываемых ею на своих хозяев. Несмотря на значительное сходство вольбахии и митохондрий по ряду существенных признаков (базовый метаболизм, организация мембранного транспорта малых молекул, строение оболочки и др.), их взаимоотношения с нуклеоцитоплазмой во многом являются диаметрально противоположными. Митохондрии импортируют большую часть необходимых им белков из нуклеоцитоплазмы и находятся под контролем нуклеоцитоплазматических регуляторных систем. Вольбахия, напротив, экспортирует в цитоплазму хозяина свои белки, регулирующие его жизнедеятельность, что приводит к драматическим изменениям онтогенеза и репродукции хозяина. Возможно, наблюдаемые различия объясняются прежде всего тем, что большинство генов протомитохондрий были перенесены в центральный (ядерный) геном на ранних этапах становления эндосимбиоза, тогда как гены вольбахии в ядерный геном хозяина, по-видимому, практически не переносились. Это соответствует высказанной ранее гипотезе о том, что в эволюции протоэвкариот был период активизации латерального переноса; тогда и произошло приобретение митохондрий. Впоследствии у эвкариот развились механизмы защиты от латерального переноса, особенно сильно выраженные у многоклеточных животных, в результате чего гены новоприобретенных эндосимбионтов уже не могут переноситься в центральный геном, а сами эндосимбионты сохраняют способность к эгоистической эволюции.

Появление эвкариот было одним из важнейших событий в истории жизни на Земле, которое существенно изменило структуру биосферы и биогеохимических циклов и открыло новые возможности для прогрессивной эволюции живых организмов (Schopf, 1983; Martin, Russell, 2003). Считается, что большую часть своего существования (до 1 млрд. лет назад) биосфера была преимущественно прокариотной (Заварзин, 2001). Однако в последнее время появились данные, свидетельствующие о том, что эвкариоты, по-видимому, появились и начали играть существенную роль в структуре сообществ значительно раньше, что позволяет говорить о существовании «переходной» (прокариотно — эвкариотной) биосферы в период от 2 до 1 млрд. лет назад (Розанов, 2003). Об очень раннем появлении первых эвкариот свидетельствуют, в частности, остатки стеролов, обнаруженные в отложениях возрастом 2.7 млрд лет (Brocks et al., 1999), а также «эвкариотоподобные» микрофоссилии, описанные из отложений возрастом 2.9 — 3.0 млрд. лет (Тимофеев, 1982).

Приобретение бактериальных эндосимбионтов, давших начало митохондриям, явилось одним из главных событий на пути становления эвкариотической клетки. Некоторые авторы полагают, что именно приобретение митохондрий (а не ядра) было ключевым моментом в становлении эвкариот (Vellai et al., 1998; Vellai, Vida, 1999). Совместное существование в пределах одной клетки двух разных геномов требовало развития эффективной системы их комплексной регуляции и координации. Поэтому приобретение внутриклеточных симбионтов могло стать важным стимулом в развитии ядра и генно-регуляторных систем (Марков, 2005). Анализ митохондриальных геномов показал монофилетическое происхождение митохондрий всех современных эвкариот (Dyall, Johnson, 2000; Литошенко, 2002; Boussau et al., 2004). Безмитохондриальные простейшие, по всей видимости, происходят от предков, имевших митохондрии, поскольку в их ядерной ДНК обнаружены гены митохондриального происхождения. Интересен факт обнаружения у эвкариот ядерных генов, кодирующих цитоплазматические белки, но по последовательностям нуклеотидов близких к генам протеобактерий (предков митохондрий). Это говорит о том, что митохондриальный симбионт мог сыграть более значительную роль в формировании генетической и биохимической структуры эвкариотической клетки, чем ранее предполагалось. Многие изначально «митохондриальные» гены были адаптированы для выполнения ядерно-цитоплазматических функций (Roger, 1999; Gabaldon, Huynen, 2003).

Предком митохондрий были альфапротеобактерии (к которым относятся, в частности, некоторые пурпурные бактерии, осуществляющие бескислородный фотосинтез). Вопрос о том, к какой из групп альфапротеобактерий принадлежал предок митохондрий, остается дискуссионным. Некоторые авторы сближают предка митохондрий с риккетсиевыми (Andersson et al., 1998; Emelyanov, 2003). Недавно было показано, что митохондриальный геном дрожжей наиболее близок к геному пурпурной несерной альфапротеобактерии Rhodospirillum rubrum (Esser et al., 2004). Электронно-транспортная цепь, изначально сформировавшаяся у этих бактерий как часть фотосинтетического аппарата, впоследствии была адаптирована для кислородного дыхания. Главным стимулом объединения анаэробного предка нуклеоцитоплазмы с «протомитохондрией» была потребность первого защититься от токсического действия кислорода (Gupta, 1998; Kurland, Andersson, 2000; Dolan et al., 2002).

Вскоре после перехода предков митохондрий к эндосимбиозу значительная часть их генов была перенесена в ядро, где они попали под контроль ядерно-цитоплазматических регуляторных систем. Гены переносились целыми крупными блоками (Martin, 2003). Параллельно с этим многие альфапротеобактериальные белки митохондрий были заменены или дополнены новыми эвкариотическими белками, гены которых сформировались в ядерном геноме и никогда не входили в состав геномов митохондрий или их предков (Karlberg, 2004).

Реконструкция развития симбиотических отношений митохондрий с нуклеоцитоплазмой имеет ключевое значение для понимания всего процесса становления эвкариотической клетки. Одним из возможных подходов к построению такой реконструкции является изучение взаимоотношений, складывавшихся в более позднее время у эвкариот с прокариотическими внутриклеточными симбионтами. Особый интерес представляют эндосимбионты, относящиеся к группе альфапротеобактерий.

В данной статье в качестве «модельного объекта» рассматривается одна из интереснейших эндосимбиотических альфапротеобактерий — Wolbachia pipientis, отличающаяся необычайным разнообразнием эффектов, оказываемых ею на различных хозяев. В статье сравниваются системы взаимодействия нуклеоцитоплазмы с митохондриями и с вольбахиями. Выяснение возможных причин выявленных сходств и различий позволяет выделить некоторые ключевые факторы, определившие специфику взаимоотношений нуклеоцитоплазмы с митохондриями на ранних этапах становления эвкариот. Кроме того, вольбахия представляет большой теоретический интерес и сама по себе, как пример в высшей степени необычного фактора, способного оказывать существенное влияние на эволюцию многоклеточных эвкариот.

Бактерия Wolbachia живет в клетках огромного множества наземных беспозвоночных. Вольбахией заражены многие насекомые: двукрылые, бабочки, жуки, блохи, вши, прямокрылые, термиты, клопы, стрекозы, перепончатокрылые, ногохвостки и др. По разным оценкам, из общего числа видов насекомых от 20 до 75% заражены вольбахией. Вольбахия найдена также у многих пауков, клещей, ракообразных (наземных, литоральных и пресноводных изопод и литоральных амфипод) и нематод — филярий. По мере изучения круг известных хозяев вольбахии постоянно растет. Ясно, что зараженность вольбахией у наземных беспозвоночных — явление повсеместное и массовое (Stouthamer et al., 1999).

С разными хозяевами отношения вольбахии складываются по-разному. Она может быть как паразитом, так и комменсалом или симбионтом. Вольбахия научилась тонко регулировать размножение и развитие своих хозяев. Поэтому ее называют «микробом — манипулятором» (Stouthamer et al., 1999). Широкая распространенность вольбахии и ее большое теоретическое и практическое значение обуславливают повышенный интерес исследователей к этой бактерии.

О времени происхождения вольбахии можно судить только по молекулярно-генетическим данным, поскольку в палеонтологической летописи следы ее присутствия пока не обнаружены. По-видимому, две основные группы штаммов вольбахии (A+B и C+D, живущие в членистоногих и нематодах соответственно) разошлись около 100 млн. лет назад (в середине мела), а линии A и B  — 58-67 млн. лет назад (примерно на рубеже мела и палеогена) (Werren et al., 1995b; Bandi et al., 1998). По-видимому, вольбахия произошла не от свободноживущих предков, а от других внутриклеточных альфапротеобактерий более 100 млн. лет назад (скорее всего, в раннем мелу) (Stouthamer et al., 1999). Вероятно, начальные этапы эволюции вольбахии были связаны с экспансией покрытосеменных растений и насекомых в начале — середине мела.

Воздействие вольбахии на хозяев

Разнообразные манипуляции, производимые вольбахией над своими хозяевами, преследуют одну общую цель — максимальное распространение бактерии в зараженной популяции. Вольбахия, подобно митохондриям, может жить только внутри клеток другого (эвкариотического) организма. Она не растет на искусственных средах, и даже в культурах клеток (насекомых и млекопитающих) вырастить ее удалось лишь недавно (Noda et al., 2002). Передается вольбахия (как и митохондрии) в основном вертикально, по материнской линии, проникая в цитоплазму яйцеклеток и, таким образом, заражая потомство. Горизонтальная передача тоже происходит, но сравнительно редко (Werren et al., 1995a; Heath et al., 1999; Van Meer et al., 1999). Она затруднена неспособностью вольбахии жить вне клеток хозяина. Эти особенности определяют круг основных задач, стоящих перед паразитом. Чтобы обеспечить собственное распространение, вольбахия «заинтересована» в том, чтобы: 1) причинять как можно меньше вреда зараженной самке или даже повышать ее жизнеспособность; 2) повышать плодовитость зараженных самок; 3) снижать плодовитость незараженных самок (для этого в качестве «орудия» используются зараженные самцы, см. ниже); 4) сдвигать соотношение полов в популяции хозяев в сторону преобладания самок. Дело в том, что вольбахия не может передаваться со сперматозоидами (Bressac, Rousset, 1993). Бактерии, попавшие в организм самца, не имеют шансов передать свое потомство следующему поколению хозяев. Поэтому самцы являются для вольбахии своего рода «ненужным балластом».

Влияние, оказываемое вольбахией на хозяина, определяется в первую очередь штаммом бактерии и лишь во вторую — биологией хозяина. Кратко рассмотрим основные типы эффектов, произодимых вольбахией.

Цитоплазматическая несовместимость (ЦН) — наиболее широко распространенный и, по-видимому, эволюционно самый древний эффект вольбахии. ЦН проявляется в том, что когда зараженный самец оплодотворяет незараженную самку, отцовские хромосомы в оплодотворенном яйце ведут себя ненормально и в конце концов разрушаются (Richardson et al., 1987; Callaini et al., 1997). В результате яйцо остается фактически гаплоидным, и эмбрион вскоре погибает. Молекулярный механизм ЦН до конца не выяснен. Согласно наиболее аргументированной гипотезе, вольбахии, живущие в гонадах самца, каким-то образом модифицируют («метят») хромосомы сперматозоидов. Эта метка и является причиной разрушения хромосом после оплодотворения. Однако если самка заражена тем же самым штаммом вольбахии, отцовские хромосомы не разрушаются, и из яйца развивается нормальная особь (естественно, зараженная). По всей вероятности, присутствующие в яйцеклетке бактерии каким-то образом распознают метку и спасают хромосомы от разрушения. Это распознавание и «спасение» в большинстве случаев является штаммоспецифичным: вольбахии спасают только хромосомы, помеченные тем же самым штаммом (Werren, 1997).

Партеногенез. У ряда перепончатокрылых, трипсов, ногохвосток и клещей вольбахия вызывает переход к партеногенезу. У перепончатокрылых в норме из неоплодотворенных яиц развиваются самцы, из оплодотворенных — самки. Вольбахия вмешивается в процесс онтогенеза, нарушая нормальный ход развития насекомого. Когда неоплодотворенное яйцо (из которого в норме должен развиться самец) вступает в первый митоз, вольбахия останавливает процесс в анафазе, когда хромосомы уже удвоились, а дочерние ядра еще не разделились. В результате яйцо становится диплоидным, и из него развивается самка (Stouthamer, Kazmer, 1994).

Феминизация. Вольбахия превращает генетических самцов в самок у равноногих ракообразных (изопод). Механизм явления изучен у мокриц Armadillidium vulgare. Оказалось, что вольбахия воздействует на систему выработки андрогенного гормона. При отсутствии этого гормона из эмбриона развивается самка, при его наличии — самец. У зародышей мокриц мужского пола вольбахия подавляет развитие андрогенной железы, вырабатывающей данный гормон (LeGrand et al., 1987). Если искусственно заразить вольбахией взрослого самца мокрицы, у которого уже имеется андрогенная железа, происходит частичная феминизация, хотя деятельность андрогенной железы при этом продолжается. При частичной феминизации появлются интерсексы — особи с различными сочетаниями мужских и женских признаков. У изопод самки гетерогаметны (т.е. имеют две разные половые хромосомы WZ, у самцов ZZ). Если вылечить «неосамку» (т.е. зараженную мокрицу с хромосомами ZZ — генетического самца), то, если «самка» молодая, она частично или полностью превращается в самца, а если старая — остается самкой, но производит на свет исключительно одних самцов (так как у нее нет «женской» хромосомы W).

Гибель самцов (андроцид). Вольбахия вызывает гибель эмбрионов мужского пола у божьих коровок Adalia bipunctata (Hurst et al., 1999, Захаров и др., 2000), бабочек родов Acraea (Jiggins et al., 1998) и Ostrinia, мух Drosophila bifasciata (Hurst et al., 2000) и D. innubila (Dyer, Jaenike, 2004) и, возможно, у некоторых муравьев (Van Borm et al., 2001). Гибель самцов вызывается целым рядом других бактерий (риккетсиями, эрлихиями, спироплазмами), а также паразитическими простейшими. Не исключено, что иногда частичная гибель самцов может быть выгодна самим насекомым (Захаров, 1999). В таком случае данный эффект может быть генетически закреплен со стороны хозяина. Хозяин как бы «перепоручает» регуляцию соотношения полов в собственной популяции бактериям-симбионтам. Возможно, насекомые реагируют гибелью самцов на какие-то факторы, общие для вольбахии и других «самцеубийц». Важно отметить, что среди насекомых, у которых вольбахия вызывает андроцид, есть виды как с гетерогаметными самками (самки WZ, самцы ZZ у бабочек), так и самцами (самки XX, самцы XY у дрозофил и божьих коровок), а также гаплодиплоиды (самки ХХ, самцы Х0 у муравьев). Следовательно, «распознавание» самцов бактериями происходит не по набору половых хромосом, а как-то иначе.

Повышение плодовитости и жизнеспособности. У некоторых насекомых после излечения от вольбахии отмечается снижение продолжительности жизни, а также интегрального параметра «общей приспособленности», учитывающего такие показатели, как плодовитость, конкурентоспособность личинок и др. У осы Trichogramma bourarachae единственный эффект, производимый вольбахией, — двукратное увеличение плодовитости самок (Girin, Bouletreau, 1995). У других мух и ос этот эффект сочетается с ЦН. Иногда вольбахия повышает плодовитость самцов (Hariri et al., 1998). У осы Asobara tabida, все особи которой заражены сразу тремя штаммами вольбахии, один из этих штаммов абсолютно необходим для нормального оогенеза, а два других вызывают ЦН.

Для нематод-филярий вольбахия, по-видимому, является полезным симбионтом. У нематод, «вылеченных» от вольбахии при помощи тетрациклина, наблюдается значительный рост смертности и снижение плодовитости. Правда, эти эффекты могут объясняться не только необходимостью вольбахии для нормальной жизнедеятельности нематод, но и токсическим действием метаболитов, освобождающихся при гибели внутриклеточных бактерий. Надежды разработать эффективную методику лечения филяриатозов, основанную на уничтожении антибиотиками симбионтов патогенного червя, пока не оправдались, так как поголовной гибели нематод при этом не происходит (Chirgwin et al., 2003), однако некоторые успехи достигнуты (Мальцева, 2004).

По-видимому, разнообразные эффекты вольбахии базируются на единой молекулярно-генетической основе и могут сравнительно легко переходить один в другой. Существует также возможность фагового переноса (трансдукции) генов, ответственных за те или иные эффекты, от одних штаммов вольбахии к другим. Вольбахия отличается от других внутриклеточных бактерий высокой зараженностью фагами, которые сравнительно часто осуществляют горизонтальные переходы между штаммами бактерии (Bordenstein, Wernegreen, 2004; Gavotte et al., 2004).

Мобильные генетические элементы и эволюция вольбахии. Геном вольбахии невелик по размеру и сильно упрощен, что характерно как для бактерий — внутриклеточных паразитов, так и для митохондрий (Schneider, Ebert, 2004). При этом, однако, у вольбахии обнаружено необычайно большое количество повторяющихся последовательностей и мобильных генетических элементов (МГЭ). Это уникальная особенность вольбахии, отличающая ее не только от митохондрий, но и от всех остальных внутриклеточных бактерий. Геном вольбахии несет следы многочисленных и частых реорганизаций, связанных с перемещениями МГЭ. Судя по всему, мобильные элементы играли важную роль в эволюции вольбахии (Wu et al., 2004). Возможно, многочисленные МГЭ позволяют вольбахии справляться с эволюционными кризисами, возникающими в ее «среде обитания» из-за быстрых эволюционных скачков, совершаемых хозяевами, например, дрозофилами, у которых стресс может вызывать активизацию их собственных МГЭ и взрывной мутагенез (Ратнер, Васильева, 1993; Vasilyeva et al., 1999). МГЭ могут служить своего рода «рецепторами внешних стрессирующих сигналов, инициирующих вспышки транспозиционной изменчивости в критические периоды эволюции популяций» (Ратнер, Васильева, 1993, с. 57). Возможно, обилие активных МГЭ является одним из факторов, обеспечивающих вольбахии ее необычайную эволюционную пластичность.

Вольбахия и митохондрии

Размер генома и протеома. По сравнению со свободноживущими бактериями размер генома вольбахии невелик — 1268 т.п.о.; для сравнения, геном E.coli содержит 5528 т.п.о. В пределах группы альфапротеобактерий размер генома колеблется от 1 млн. п.о. (у риккетсий) до >9 млн. п.о. у Bradyrhizobium japonicum (Boussau et al., 2004).

Митохондриальные геномы разных эвкариот сильно различаются по размеру, но в целом они значительно меньше, чем у вольбахии. Сравнительно большие митохондриальные геномы характерны для высших растений (Nicotiana tabacum — 431 т.п.о., Beta vulgaris — 369 т.п.о., Arabidopsis thaliana — 367 т.п.о, Marchantia polymorpha — 187 т.п.о.); значительно меньшие — для простейших, водорослей и грибов (Saccharomyces cerevisiae — 86 т.п.о., Chara vulgaris — 68 т.п.о., Saprolegnia ferax — 47 т.п.о., Paramecium aurelia — 40 т.п.о, Laminaria digitata — 38 т.п.о.); самые маленькие — для Metazoa (Loxodonta africana, Mytilus edulis, Arbacia lixula, Bos taurus, Homo sapiens — 16 — 17 т.п.о., Brugia malayi — 14 т.п.о.). По всей видимости, увеличение размеров митохондриального генома у высших растений, как и его крайнее уменьшение у животных, имеют вторичный характер. Массированный перенос митохондриальных генов в ядро и соответствующее упрощение митохондриального генома произошли, по-видимому, уже у древнейших эвкариот, причем размер генома митохондрий у них, по-видимому, изначально стабилизировался примерно на том уровне, который наблюдается сейчас у низших (одноклеточных) эвкариот.

Размер протеома (число белков) у гипотетического общего предка альфапротеобактерий, по последним оценкам, составлял от 3000 до 5000. Геном вольбахии кодирует немногим более 1000 белков. По-видимому, значительное число генов и белков (2300-3800) было утрачено общим предком вольбахии и риккетсий в результате перехода к внутриклеточному паразитизму; после разделения линий вольбахии и риккетсий первая из этих линий утратила еще 200-700 белков (Boussau et al., 2004).

У эвкариот число митохондриальных белков обычно меньше, но не намного. В реконструированном протеоме «протомитохондрии» минимальное число белков — 630 (Gabaldon, Huynen, 2003). Важнейшее отличие состоит в том, что подавляющее большинство последних кодируется ядерными генами. Так, у гриба S. cerevisae лишь 8 митохондриальных белков кодируется мтДНК, у человека — 13, у A. thaliana — 25, у жгутиконосца Reclinomonas americana — 64. Все остальные митохондриальные белки (свыше 600) кодируются ядерными генами (Karlberg, 2004; Reichert, Neupert, 2004). Все белки вольбахии, естественно, кодируются ее собственным геномом; факты, свидетельствующие о транспортировке каких-либо белков хозяина в бактерию, не известны.

Оболочка. Важнейшую роль во взаимоотношениях эндосимбионта с эвкариотической клеткой играет его наружная оболочка, от свойств которой зависит происходящий между двумя организмами обмен веществом и информацией.

Вольбахии, живущие в цитоплазме хозяина, окружены двойной мебраной — так же, как и митохондрии. Внутренняя мембрана «принадлежит» самой вольбахии, наружная является продуктом клетки хозяина. Предполагается, что двойная мембрана митохондрий имеет такое же «двойное» происхождение.

Свободноживущие грамотрицательные бактерии (к которым относятся альфапротеобактерии) обычно имеют сложную оболочку (клеточную стенку), состоящую из трех слоев: внутренней цитоплазматической мембраны, периплазматического пространства, содержащего пептидогликан, и наружной мембраны, отличающейся по своему строению от цитоплазматической и содержащей липополисахариды. Предки митохондрий, став облигатными эндосимбионтами, утратили наружные слои своей оболочки, сохранив только внутреннюю мембрану, а нуклеоцитоплазма образовала наружную мембрану новоприобретенных органелл.

Вольбахии и их предки являются облигатными эндосимбионтами или паразитами уже в течение сотен миллионов лет и за это время утратили многие гены, необходимые для синтеза нормальной клеточной стенки. В частности, почти полностью утрачена система синтеза липополисахаридов. Предполагается, что она перестала функционировать еще у общего предка вольбахии и ее ближайших родственников — внутриклеточных альфапротеобактерий эрлихии и анаплазмы (Wu et al., 2004). Вместо собственной наружной мембраны, для образования которой необходимы липополисахариды, эти бактерии «пользуются» наружной мембраной, предоставляемой им хозяином.

Однако, в отличие от митохондрий, у вольбахии сохраняется средний слой клеточной стенки, содержащий пептидогликан. В ее геноме присутствуют гены, участвующие в метаболизме компонентов этого слоя (D-аланин-D-аланин лигаза, D-аланил-D-аланин карбоксипептидаза, УДФ-N-ацетилмурамат-аланин лигаза, N-ацетилмурамоил-L-аланин амидаза, фосфо-N-ацетилмурамоил-пентапептид трансфераза и др.). Таким образом, заметного сходства в строении среднего слоя оболочки вольбахии с межмембранным пространством митохондрий не наблюдается.

Метаболизм и транспорт. Будучи аэробной бактерией, очень близкой по строению базовых систем энергетического метаболизма к митохондриям, вольбахия, казалось бы, могла стать не менее полезным симбионтом. Этого, однако, не наблюдается (табл. 1). Метаболизм вольбахии в целом организован таким образом, чтобы причинять хозяину наименьший вред, но и видимой метаболитической «пользы» эта внутриклеточная бактерия не приносит.

Главная функция митохондрий состоит в синтезе АТФ за счет кислородного окисления пирувата — конечного продукта идущего в цитоплазме гликолиза. Произведенная митохондриями АТФ транспортируется в цитоплазму.

Родственники митохондрий и вольбахий, риккетсии, выкачивают АТФ из цитоплазмы хозяина в обмен на АДФ при помощи белков семейства TLC (Andersson et al., 1998). Риккетсии, таким образом, ведут себя как настоящие «энергетические вампиры» и представляют в этом отношении прямую противоположность митохондриям. В геноме вольбахии не обнаружены гены, ответственные за такой, с позволения сказать, мембранный транспорт АТФ. Вольбахия, по-видимому, ведет себя более скромно и причиняет меньший ущерб хозяину, ограничиваясь выкачиванием из его цитоплазмы некоторых аминокислот и углеводов. Однако и энергией в виде АТФ она своего хозяина, разумеется, не снабжает.

Хотя метаболизм углеводов у вольбахии в целом ограничен, у нее все же присутствует необходимый минимальный «комплект» белков, обеспечивающих полный цикл катаболизма углеводов с целью получения энергии. Гексозы (глюкоза, фруктоза) транспортируются из цитоплазмы хозяина. В «комплект» входят: 1) мембранный белок, обеспечивающий сопряженный с фосфорилированием транспорт гексоз в клетку, 2) гликолиз, начинающийся с фруктозо-1,6-дифосфата, 3) неокислительный пентозофосфатный путь, 4) полный цикл трикарбоновых кислот, 5) дыхательная электроннотранспортная цепь окислительного фосфорилирования.

Наличие собственных генов гликолиза отличает вольбахию от митохондрий и риккетсий (Andersson et al., 1998; Wu et al., 2004) и показывает, что она еще в меньшей степени, чем риккетсия, «комплементарна» нуклеоцитоплазме с точки зрения метаболизма. Вместе с тем она потенциально менее вредна, поскольку перехватывает метаболиты у хозяина на более ранних этапах их биохимической «обработки» и берет на себя не только самые энергетически выгодные (аэробные) этапы катаболизма углеводов, но и менее выгодные анаэробные.

Большое число транспортеров аминокислот позволяет предположить, что вольбахии получают из них значительную часть энергии; кроме того, это позволяет вольбахии обходиться без многих ферментов аминокислотного метаболизма. Та же черта — наличие аминокислотных транспортеров и крайне неполный набор ферментов аминокислотного метаболизма — характерна и для реконструированной «протомитохондрии» — гипотетического предка митохондрий (Gabaldon, Huynen, 2003), и для риккетсий.

Помимо гликолиза, вольбахия располагает еще несколькими метаболическими путями, отсутствующими у риккетсии (в том числе синтез нуклеотид-монофосфатов, рибофлавина, деградация треонина, метаболизм пиримидинов и др.). Возможно, несколько большая биохимическая самодостаточность вольбахии по сравнению с риккетсией является одной из предпосылок большей эволюционной пластичности в смысле выработки различных средств воздействия на хозяина. В целом метаболические системы вольбахии редуцированы в значительно меньшей степени, чем у риккетсии, и сохраняют больше сходства с гипотетическим общим предком альфапротеобактерий (Boussau et al., 2004).

Предок митохондрий, по-видимому, как и вольбахия, обладал целым рядом метаболических путей, не связанных напрямую с синтезом АТФ (например, метаболизм фруктозы и маннозы, синтез липидов, нуклеотидов и витаминов). Многие из этих генов митохондриального происхождения перешли в ядерный геном, и соответствующие ферменты и метаболические пути стали функционировать в других частях эвкариотической клетки (Gabaldon, Huynen, 2003). Вольбахия, напротив, оставила все подобные метаболические системы «при себе». Явных следов крупномасштабного переноса ее генов в геном хозяина не обнаружено.

Коренное различие между вольбахией и митохондриями заключается в организации транспорта протеинов (табл. 1). Вольбахия использует секреторную систему типа IV для экспорта своих белков в цитоплазму хозяина (Masui et al., 2000; Wu et al., 2004), тогда как митохондрия, напротив, импортирует белки, кодируемые ядерными генами и синтезируемые в цитоплазме. На наружной и внутренней мембранах митохондрии существуют специальные белковые комплексы (TOM и TIM соответственно), осуществляющие этот импорт (Rehling et al., 2001). Сходства в строении систем транспорта белков у вольбахии и митохондрии не наблюдается. Крайне интересен тот факт, что те из кодируемых в ядре митохондриальных белков, которые имеют бактериальное происхождение, синтезируются преимущественно на рибосомах, ассоциированных с наружной мембраной митохондрий, тогда как митохондриальные белки чисто эвкариотического происхождения чаще синтезируются на цитоплазматических рибосомах, удаленных от митохондрий (Marc et al., 2002).

Сигнально-регуляторные системы. Эвкариотическая клетка имеет целый ряд эффективных средств для регуляции деятельности митохондрий (Cummins, 2001). В частности, сигналы передаются в митохондрию при помощи ионов Ca2+. Сигнальная роль ионов кальция в нуклеоцитоплазме обычно опосредуется специальными белками — кальмодулинами; в митохондриях ионы кальция могут действовать непосредственно на ферменты без посредничества других белков. Регуляция митохондрий осуществляется также при помощи цАМФ, которая действует через протеинкиназу А, или путем связывания с рецепторным белком внешней стороны внутренней мембраны митохондрии. Есть данные о регуляции функций митохондрий цГМФ и протеинкиназами C (Кулинский, 1997). В митохондриях присутствует значительное количество белков, участвующих в приеме и передаче сигналов, включая ГТФ- и Ca2+ — связывающие белки и целый ряд различных протеинкиназ (Reichert, Neupert, 2004).

Ни одно из этих средств клетка хозяина не может использовать для регуляции деятельности вольбахии из-за отсутствия у последней соответствующих рецепторов, протеинкиназ и ионных каналов (у вольбахии нет мембранных каналов для транспорта ионов кальция, протеинкиназ А, рецепторов цАМФ и т.д.).

Самое главное средство, обеспечивающее нуклеоцитоплазме полный контроль над деятельностью митохондрий, несомненно, основано на том, что большая часть митохондриального протеома кодируется ядерными генами. Большинство их имеет альфапротеобактериальное происхождение и изначально находилось в хромосоме предка митохондрий, но впоследствии было перенесено в ядерный геном (этим же объясняется и малый размер митохондриальных геномов по сравнению с таковым вольбахии). Экспрессия этих генов и последующая доставка соответствующих белков в митохондрии, естественно, находится под контролем ядерно-цитоплазматических сигнальных, регуляторных и транспортных систем. Как говорилось выше, заметных следов переноса генов вольбахии в ядерный геном хозяина не обнаружено. Следовательно, и это мощное средство воздействия не может использоваться клеткой в отношении паразитической бактерии.

Если средства управления митохондриями неприменимы к вольбахии, возможно, хозяин может регулировать ее жизнедеятельность какими-то иными способами, воздействуя на сигнально-регуляторные системы паразита? Однако и этот путь для хозяев вольбахии практически закрыт, поскольку вольбахия отличается почти полной редукцией сигнально-регуляторных систем.

У нее обнаружено только три гена, связанных с приемом и передачей сигналов, и всего шесть предположительных регуляторов транскрипции. Скудный набор регуляторов отмечен и у других эндосимбионтов и объясняется обычно постоянством условий их обитания, что делает адаптивные модификации необязательными для выживания (Andersson et al., 1998; Seshadri et al., 2003; Wu et al., 2004 ). Указанная причина может быть не единственной. Редукция сигнально-регуляторных систем делает внутриклеточных бактерий менее зависимыми от всевозможных сигналов, поступающих извне, то есть от хозяина, и сильно снижает вероятность того, что хозяин сумеет выработать какие-то способы управления симбионтом. Вольбахия фактически управляет репродукцией, развитием и даже эволюцией своих хозяев, и делает это так, как выгодно ей. Для этого она использует разнообразные и сложные сигнально-регуляторные системы эвкариотической клетки, которые предоставляют ей множество потенциальных «зацепок» — точек приложения регулирующих агентов. У самой вольбахии таких точек приложения практически нет.

Вольбахия как «антимодельный» объект для реконструкции происхождения эвкариот

Таким образом, взаимоотношения клетки с митохондриями и вольбахией во многих отношениях представляют полную противоположность (табл. 1). Возникает вопрос: почему столь близкородственные виды микроорганизмов, как вольбахия и предок митохондрий, построили свои взаимоотношения с эвкариотической нуклеоцитоплазмой на столь разных принципах? Или, более конкретно, почему митохондрия полностью «подчинилась» нуклеоцитоплазме, тогда как вольбахия, напротив, во многом сама контролирует ее функционирование?

Таблица 1

Сходство

Различие

Аэробный энергетический метаболизм (цикл Кребса, окислительное фосфорилирование)

Транспорт малых молекул

Оболочка (внутренняя мембрана — «своя», внешняя — «хозяйская»)

Базовые информационные системы (кольцевая хромосома, репликация, транскрипция, трансляция, рибосомы и др.)

Локализация большинства генов: в ядре (митохондрия) или в «своей» хромосоме (вольбахия)

Направление транспорта белков: «экспорт» (вольбахия) или «импорт» (митохондрия)

Направление регуляторных воздействий (совпадает с направлением транспорта белков)

Направление переноса генов: «экспорт» (митохондрия) или «импорт» (вольбахия)

Нам представляется, что ключом к этой загадке является тот факт, что большинство генов протомитохондрии были перенесены в ядерный геном на ранних этапах эвкариотизации (Martin, 2003), тогда как гены вольбахии в геном хозяина, по-видимому, практически не переносились (Wu et al., 2004). Кроме того, многие митохондриальные белки, кодируемые ядерными генами, даже не несут признаков альфапротеобактериального происхождения. Они, по-видимому, возникли у эвкариот уже после приобретения митохондриального эндосимбионта (Karlberg, 2004). Включение митохондриальных генов в ядерный геном, интеграция их в ядерно-цитоплазматические генные сети и сигнально-регуляторные системы, а также интродукция в митохондрии «чуждых» им эвкариотических белков (гены которых изначально сформировались в ядре) исключили всякую возможность эгоистической эволюции митохондрий (Martin, Herrmann-Reinhold, 1998; Rand et al., 2001).

Вольбахия, напротив, сохранила достаточно высокий уровень самостоятельности не только в отношении экспрессии собственных генов, но и на метаболическом уровне. Это позволяет ей время от времени совершать горизонтальные переходы между разными видами хозяев, а также быстро эволюционировать «эгоистическим» образом, вырабатывая различные способы управления своими хозяевами, порой далеко не безболезненные для последних.

С указанным принципиальным различием в локализации большинства генов, необходимых для жизнедеятельности вольбахии и митохондрий, тесно связано другое принципиальное различие — в направлении транспорта белков. Если вольбахия экспортирует собственные белки в цитоплазму хозяина, что позволяет ей регулировать деятельность его цитоскелета и других молекулярных систем, то митохондрии, напротив, импортируют необходимые им белки из цитоплазмы. По-видимому, системы, обеспечивающие этот импорт, должны были сложиться очень рано, так как без них перенос митохондриальных генов в ядро привел бы к гибели эндосимбионтов.

Согласно нашим представлениям о происхождении эвкариот (Марков, Куликов, 2005), в эволюции предка нуклеоцитоплазмы был период активной инкорпорации чужеродного генетического материала (рис. 1). Нами обосновано предположение, что предком нуклеоцитоплазмы была архебактерия (возможно, метаногенная), которая в условиях кризиса, вызванного ростом концентрации кислорода, приобрела способность быстро и эффективно инкорпорировать в свой геном ДНК неродственных видов микроорганизмов. Эта архебактерия заимствовала гены и генные комплексы у разных бактерий, в первую очередь — анаэробных и микроаэрофильных бродильщиков. В итоге сформировался химерный микроорганизм с архебактериальными системами репликации, транскрипции, трансляции и базовой регуляторикой, и с бактериальным метаболизмом и периферическими сигнально-регуляторными системами. Этот микроорганизм в дальнейшем приобрел эндосимбионтов — аэробных альфапротеобактерий, ставших митохондриями.

 

Рис. 1. Схема происхождения эвкариот и позднейшего приобретения ими бактерий-эндопаразитов

 

Включение генов протомитохондрий в центральный (ядерный) геном, согласно этой теории, могло начаться даже раньше, чем сложилась эндосимбиотическая система, то есть в тот период, когда предок нуклеоцитоплазмы и протомитохондрии существовали еще порознь, но в тесном контакте в пределах одного и того же микробного сообщества. В этот период происходила взаимная «подгонка» метаболизма и сигнально-регуляторных систем двух микробов, готовившая почву для последующего их объединения в единый организм. Возможно, тогда же начала складываться и система транспорта нуклеоцитоплазматических протеинов в будущие митохондрии. После объединения перенос митохондриальных генов в центральный геном продолжался.

Таким образом, отношения предка нуклеоцитоплазмы с будущими митохондриями и организмов-хозяев с вольбахией изначально строились на диаметрально противоположной основе. Особенно четко эта противопложность проявляется в направлении транспорта протеинов. В этом аспекте предок нуклеоцитоплазмы «поступал» с протомитохондриями примерно таким же образом, как вольбахия — с клетками хозяина. В связи с этим вспомним, что направление мембранного транспорта АТФ, наблюдаемое у митохондрий и ближайших родственников вольбахии — риккетсий, тоже противоположное. Риккетсии выкачивают энергию в виде АТФ из цитоплазмы хозяина, митохондрии же, напротив, сами являются «жертвами энергетического вампиризма», осуществляемого нуклеоцитоплазмой. Возможно, во взаимоотношениях предков нуклеоцитоплазмы и митохондрий действительно присутствовал элемент паразитизма, как предположил О.Карлберг (Karlberg, 2004), однако нам представляется более вероятным, что в роли паразита выступала не протомитохондрия, а более крупный организм — предок нуклеоцитоплазмы.

Существование гипотетического организма с аномально высокой способностью к инкорпорации чужих генов не могло быть ни долгим, ни стабильным. Благодаря эндосимбиозу с аэробной бактерией первичная причина перехода к такой стратегии была устранена и «кислородный» кризис в целом разрешен. После этого эвкариоты, по-видимому, довольно быстро выработали мощные системы защиты от латерального переноса, вместо которого развились более сложные и при этом хорошо контролируемые средства рекомбинации, связанные с половым процессом (механизмы мейоза, слияния гамет, межвидовой репродуктивной изоляции).

«Запрет» горизонтального переноса, особенно сильно выраженный у Metazoa (к коим относятся все хозяева вольбахии), привел к тому, что перенос генов новооприобретенных эндосимбионтов в центральный геном, под контроль регуляторных систем нуклеоцитоплазмы, оказался сильно затруднен. В результате новые эндосимбионты (и эндопаразиты) сохраняют не только относительную самостоятельность, но и способность к эгоистической эволюции.

Более того, поскольку у прокариот нет столь жестких ограничений латерального переноса, эти новые обитатели эвкариотической клетки имеют возможность включить в свой геном и затем использовать в своих целях разнообразные регуляторные гены хозяев. Именно таким образом, по-видимому, внутриклеточные бактерии обзавелись анкириновыми белками — эвкариотическими регуляторами цитоскелета, митоза и других важных функций, включая апоптоз — программируемую клеточную смерть (Shohat et al., 2002; Dong, 2004; Wu et al., 2004). В итоге сложилась ситуация, зеркально противоположная той, которая имела место при становлении эндосимбиоза с протомитохондриями.

Таким образом, по нашему мнению, одним из определяющих факторов становления успешного и перспективного в эволюционном отношении симбиоза протоэвкариот с протомитохондриями была постулированная нами ранее повышенная способность предка нуклеоцитоплазмы к инкорпорации чужеродного генетического материала, которая развилась в связи с ростом концентрации свободного кислорода в среде, вызванного переходом части фотоавтотрофных бактерий к оксигенному фотосинтезу. Палеонтологические данные позволяют предположительно датировать появление эвкариот интервалом от 3.0 до 2.5 млрд. лет назад (Тимофеев, 1982; Brocks et al., 1999; Розанов, 2003).

Работа выполнена в рамках подпрограммы 2 Программы 25 Президиума РАН «Происхождение и эволюция биосферы».

Список литературы

Заварзин Г.А. Становление биосферы // Вестн. РАН. 2001. Т. 71. № 11. С. 988 — 1001.

Захаров И.А. Бактерии управляют половым размножением насекомых // Природа. 1999. №5. С. 28-34.

Захаров И.А., Горячева И.И., Шайкевич Е.В. и др. Wolbachia, новый бактериальный агент, вызывающий изменение соотношения полов у двуточечной божьей коровки Adalia bipunctata L. // Генетика. 2000. Т. 36. № 4. С. 482-486.

Кулинский В.И. Передача и трансдукция гормонального сигнала в разные части клетки // Соросовский образовательный журн. 1997. № 8. С. 14-19.

Литошенко А.И. Эволюция митохондрий // Цитология. Генетика. 2002. Т. 36. № 5. С. 49-57.

Мальцева Б.М. Симбиотическая система — филярии и бактерия Wolbachia: эволюция системы, патогенез и лечение филяриатозов // Ветеринария. 2004. № 1. С. 34-38.

Марков А.В. Проблема происхождения эукариот // Палеонтол. журн. 2005. В печати.

Марков А.В., Куликов А.М. Происхождение эвкариот: выводы из анализа белковых гомологий в трех надцарствах живой природы // Палеонтол. журн. 2005. В печати.

Ратнер В.А., Васильева Л.А. Мобильные генетические элементы (МГЭ) и эволюция геномов // Современные проблемы теории эволюции. М.: Наука, 1993. С. 43-59.

Розанов А.Ю. Ископаемые бактерии, седиментогенез и ранние стадии эволюции биосферы // Палеонтол. журн. 2003. № 6. С. 41 — 49.

Тимофеев Б.В. Микрофоссилии раннего докембрия. Л.: Наука, 1982. 128 с.

Andersson S.G., Zomorodipour A., Andersson J.O. et al. The genome sequence of Rickettsia prowazekii and the origin of mitochondria // Nature. 1998. V. 396. N 6707. P. 133-140.

Bandi C., Anderson T.J.C., Genchi C., Blaxter M.L. Phylogeny of Wolbachia-like bacteria in filarial nematodes // Proc. R. Soc. London. Ser. B. 1998. V. 265. P. 2407–2413.

Bordenstein S.R., Wernegreen J.J. Bacteriophage flux in endosymbionts (Wolbachia): infection frequency, lateral transfer, and recombination rates // Mol. Biol. Evol. 2004. V. 21. № 10. P. 1981-1991.

Boussau B., Karlberg E.O., Frank A.C. et al. Computational inference of scenarios for alphaproteobacterial genome evolution // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004. V. 101. № 26. P. 9722-9727.

Bressac C., Rousset F. The reproductive incompatibility system in Drosophila simulans: Dapi-staining analysis of the Wolbachia symbionts in sperm cysts // J. Invert. Pathol. 1993. V.61. P.226–230.

Brocks J.J., Logan G.A., Buick R., Summons R.E. Archean molecular fossils and the early rise of eukaryotes // Science. 1999. V. 285. № 5430. P. 1025-1027.

Callaini G., Dallai R., Riparbelli M.G. Wolbachia-induced delay of paternal chromatin condensation does not prevent maternal chromosomes from entering anaphase in incompatible crosses of Drosophila simulans // J. Cell. Sci. 1997. V. 110. P. 271–280.

Chirgwin S.R., Coleman S.U., Porthouse K.H. et. al. Removal of Wolbachia from Brugia pahangi is closely linked to worm death and fecundity but does not result in altered lymphatic lesion formation in Mongolian gerbils (Meriones unguiculatus) // Infect. Immun. 2003. V. 71. № 12. P. 6986–6994.

Cummins J.M. Mitochondria: potential roles in embryogenesis and nucleocytoplasmic transfer // Human Reproduction Update. 2001. V. 7. № 2. P. 217 — 228.

Dolan M.F., Melnitsky H., Margulis L., Kolnicki R. Motility proteins and the origin of the nucleus // Anat. Rec. 2002. № 268. P. 290-301.

Dong X. The role of membrane-bound ankyrin-repeat protein ACD6 in programmed cell death and plant defense // Sci STKE. 2004. V. 221. P. e6.

Dyall S.D., Johnson P.J. Origins of hydrogenosomes and mitochondria: evolution and organelle biogenesis // Curr. Opin. Microbiol. 2000. V. 3. № 4. P. 404-411.

Dyer K.A., Jaenike J. Evolutionarily stable infection by a male-killing endosymbiont in Drosophila innubila: molecular evidence from the host and parasite genomes // Genetics. 2004. V. 168. № 3. P. 1443-1455.

Emelyanov V.V. Common evolutionary origin of mitochondrial and rickettsial respiratory chains // Arch. Biochem. Biophys. 2003. V. 420. № 1. P. 130-141.

Esser C., Ahmadinejad N., Wiegand C. et al. A genome phylogeny for mitochondria among alpha-proteobacteria and a predominantly eubacterial ancestry of yeast nuclear genes // Mol. Biol. Evol. 2004. V. 21. № 9. P.1643-1660.

Gabaldon T., Huynen M.A. Reconstruction of the proto-mitochondrial metabolism // Science. 2003. V. 301. № 5633. P. 609.

Gavotte L., Vavre F., Henri H. et al. Diversity, distribution and specificity of WO phage infection in Wolbachia of four insect species // Insect Mol. Biol. 2004. V. 13. № 2. P. 147-153.

Girin C, Bouletreau M. Microorganism-associated variation in host infestation efficiency in a parasitoid wasp Trichogramma bourarachae // Experientia. 1995. V. 52. P. 398–402.

Gupta R.S. Protein phylogenies and signature sequences: a reappraisal of evolutionary relationships among Archaebacteria, Eubacteria, and Eukaryotes // Microbiol. and Molecul. Biol. Rev. 1998. V. 62. № 4. P. 1435-1491.

Hariri A.R., Werren J.H., Wilkinson G.S. Distribution and reproductive effects of Wolbachia in stalk-eyed flies (Diptera: Diopsidae) // Heredity. 1998. V. 81. P. 254-260.

Heath B.D., Butcher R.D., Whitfield W.G., Hubbard S.F. Horizontal transfer of Wolbachia between phylogenetically distant insect species by a naturally occurring mechanism // Curr Biol. 1999. V. 9. № 6. P. 313-316.

Hurst G.D.D., Jiggins F.M., Schulenburg J. H.G. et al. Male-killing Wolbachia in two species of insect // Proc.R.Soc.Lond.Ser.B.1999. V. 266. P.735-740.

Hurst G.D., Johnson A.P., Schulenburg J.H., Fuyama Y. Male-killing Wolbachia in Drosophila: a temperature-sensitive trait with a threshold bacterial density // Genetics. 2000. V. 156. № 2. P. 699-709.

Jiggins F.M., Hurst G.D.D., Majerus M.E.N. Sex ratio distortion in Acraea encedon is caused by a male-killing bacterium // Heredity. 1998. V.81. P. 87–91.

Karlberg O. Mitochondrial evolution: turning bugs into features. // Comprehensive Summaries of Uppsala Dissert. Fac. Sci. and Technol. 2004. V. 961. P. 1-37.

Kurland C.G., Andersson S.G. E. Origin and evolution of the mitochondrial proteome // Microbiol. and Molecul. Biol. Rev. 2000. V. 64. №. 4. P. 786-820.

LeGrand J.-J., LeGrand-Hamelin E., Juchault P. Sex determination in Crustacea // Biol. Rev. 1987. V.62. P. 439–470.

Marc P., Margeot A., Devaux F. et al. Genome-wide analysis of mRNAs targeted to yeast mitochondria // EMBO Rep. 2002. V. 3. № 2. P. 159-164.

Martin W. Gene transfer from organelles to the nucleus: Frequent and in big chunks // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003. V. 100. № 15. P. 8612-8614.

Martin W., Herrmann-Reinhold G. Gene transfer from organelles to the nucleus: how much, what happens, and why? // Plant Physiol. 1998. V. 118. P. 9-17.

Martin W., Russell M.J. On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells // Phil. Trans. R. Soc. Lond. Ser. B. 2003. V. 358. № 1429. P. 59-85.

Masui S., Sasaki T., Ishikawa H. Genes for the type IV secretion system in an intracellular symbiont, Wolbachia, a causative agent of various sexual alterations in arthropods // J. Bacteriol. 2000. V.182. P.6529-6531.

Noda H, Miyoshi T, Koizumi Y. In vitro cultivation of Wolbachia in insect and mammalian cell lines // In Vitro Cell Dev. Biol. Anim. 2002. V. 38. № 7. P. 423-427.

Rand D.M., Clark A.G., Kann L.M. Sexually antagonistic cytonuclear fitness interactions in Drosophila melanogaster // Genetics. 2001. V. 159. P. 173-187.

Rehling P., Wiedemann N., Pfanner N., Truscott K.N. The mitochondrial import machinery for preproteins // Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 2001. V. 36. № 3. P. 291-336.

Reichert A.S., Neupert W. Mitochondriomics or what makes us breathe // Trends in genetics. 2004. V. 20. № 11. P. 555-562.

Richardson P.M., Holmes W.P., Saul G.B. 1987. The effect of tetracycline on reciprocal cross incompatibility in Mormoniella [=Nasonia] vitripennis // J. Invert. Pathol. 1987. V. 50. P. 176–183.

Roger A.J. Reconstructing early events in eukaryotic evolution // Amer. Nat. 1999. V. 154. № S4. P. S146 — S163.

Schneider A., Ebert D. Covariation of mitochondrial genome size with gene lengths: evidence for gene length reduction during mitochondrial evolution // J. Mol. Evol. 2004. V. 59. № 1. P. 90-96.

Schopf J.W. (ed.) Earth's earliest biosphere: Its origin and evolution. Princeton: Univ. Press, 1983. 544 p.

Seshadri R., Paulsen I.T., Eisen J.A. et al. Complete genome sequence of the Q-fever pathogen Coxiella burnetii // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003. V. 100. P. 5455–5460.

Shohat G., Spivak-Kroizman T., Eisenstein M., Kimchi A. The regulation of death-associated protein (DAP) kinase in apoptosis // Eur Cytokine Netw. 2002. V. 13. № 4. P. 398-400.

Stouthamer R., Breeuwer J.A.J., Hurst G.D.D. Wolbachia pipientis: microbial manipulator of arthropod reproduction // Annu. Rev. Microbiol. 1999. V. 53. P. 71–102.

Stouthamer R., Kazmer D.J. Cytogenetics of microbe-associated parthenogenesis and its consequences for gene flow in Trichogramma wasps // Heredity. 1994. V.73. P. 317–327.

Van Borm S., Wenseleers T., Billen J., Boomsma J.J. Wolbachia in leafcutter ants: a widespread symbiont that may induce male killing or incompatible matings // J. Evol. Biol. 2001. V. 14. № 5. P. 805-814.

Van Meer M.M., Witteveldt J., Stouthamer R. Phylogeny of the arthropod endosymbiont Wolbachia based on the wsp gene // Insect Mol Biol. 1999. V. 8. № 3. P. 399-408.

Vasilyeva L.A., Bubenshchikova E.V., Ratner V.A. Heavy heat shock induced retrotransposon transposition in Drosophila // Genet Res. 1999. V. 74. № 2. P. 111-119.

Vellai T., Takacs K., Vida G. A new aspect to the origin and evolution of eukaryotes // J. Mol. Evol. 1998. V. 46. № 5. P. 499-507.

Vellai T., Vida G. The origin of eukaryotes: the difference between prokaryotic and eukaryotic cells // Proc. R. Soc. Lond. Ser. B. 1999. V. 266. № 1428. P. 1571-1577.

Werren J.H. Biology of Wolbachia // Annu. Rev. Entomol. 1997. V. 42. P.587–609.

Werren J.H.,Windsor D., Guo L. Distribution of Wolbachia among neotropical arthropods // Proc. R. Soc. London Ser. B. 1995a. V. 262. P. 197–204.

Werren J.H., Zhang W., Guo L.R. Evolution and phylogeny of Wolbachia: reproductive parasites of arthropods. // Proc. R. Soc. Lond. Ser. B. 1995b. V. 261. P. 55–63.

Wu M., Sun L.V., Vamathevan J. et al. Phylogenomics of the reproductive parasite Wolbachia pipientis wMel: a streamlined genome overrun by mobile genetic elements // PLoS Biol. 2004. V.2. № 3. P. 327-341.

 


 

 

 

 

PARASITIC BACTERIUM WOLBACHIA AND THE ORIGIN OF EUKARYOTIC CELL

© 200_ г. A.V.Markov 1, I.A.Zakharov 2

1Paleontological Institute RAS

E-mail: markov_a@inbox.ru

2Vavilov Institute of General Genetics RAS

E-mail: zakharov@vigg.ru

Acquisition of endosymbiotic alphaproteobacteria that gave rise to mitichondria was one of the key events in the origin of eukaryotic cell. To reconstruct this process, it is important to analyse relations that developed later between the eukaryotes and other alphaproteobacteria. Wolbachia pipientis, a bactrerium that inhabits cells of numerous terrestrial invertebrates and exerts diverse effects on its hosts, is taken as a model object. Although Wolbachia is similar to mitochondria in many important features (basic metabolism, small molecules membrane transport, envelope structure, etc.), their relationships with nucleocytoplasm are different. Mitochondria import most of required proteins from the nucleocytoplasm and are under the control of nucleocytoplasmic regulatory systems. On the contrary, Wolbachia exports its proteins into the host's cytoplasm, thus causing dramatic aberrations in the ontogeny and reproduction of the host. This difference may be due to the fact that most of the protomitochondrial genes had been transferred into the central (nuclear) genome at the early stages of development of endosymbiotic system, while Wolbachia genes were not transferred into the nucleus. This fits well to the hypothesis suggested previously, that there was a period of rapid lateral gene transfer in the evolution of proto-eukaryotes; acquisition of mitochondria took place during this period. Later eukaryotes, and especially metazoans, developed powerful mechanisms for prevention of lateral gene transfer. Therefore the genes of the newly acquired endosymbionts can not be transferred into the central genome, and the endosymbionts retain the ability for egoistic evolution.

Key words: origin of eukaryotic cell, symbiogenesis, lateral gene transfer, Wolbachia, alphaproteobacteria

Рекламные ссылки