археи что это такое в биологии
Археи
Ранее археи объединяли с бактериями в общую группу, называемую прокариоты (или царство Дробянки (лат. Monera)), и они назывались архебактерии, однако сейчас такая классификация считается устаревшей: установлено, что археи имеют свою независимую эволюционную историю и характеризуются многими биохимическими особенностями, отличающими их от других форм жизни.
Сейчас археи подразделяются на более чем пять типов. Из них наиболее изучены кренархеоты (лат. Crenarchaeota) и эвриархеоты (лат. Euryarchaeota). Классифицировать археи по-прежнему сложно, так как подавляющее большинство из них никогда не выращивались в лабораторных условиях и идентифицировались только по анализу нуклеиновых кислот из проб, полученных из мест их обитания.
Археи и бактерии очень похожи по размеру и форме клеток, хотя некоторые археи имеют довольно необычную форму, например, клетки Haloquadratum walsbyi плоские и квадратные. Несмотря на внешнее сходство с бактериями, некоторые гены и метаболические пути архей сближают их с эукариотами (в частности ферменты, катализирующие процессы транскрипции и трансляции). Другие аспекты биохимии архей уникальны, к примеру, присутствие в клеточных мембранах липидов, содержащих простую эфирную связь. Большая часть архей — хемоавтотрофы. Они используют значительно больше источников энергии, чем эукариоты: начиная от обыкновенных органических соединений, таких как сахара, и заканчивая аммиаком, ионами металлов и даже водородом. Солеустойчивые археи — галоархеи (лат. Haloarchaea) — используют в качестве источника энергии солнечный свет, другие виды архей фиксируют углерод, однако, в отличие от растений и цианобактерий (синезелёных водорослей), ни один вид архей не делает и то, и другое одновременно. Размножение у архей бесполое: бинарное деление, фрагментация и почкование. В отличие от бактерий и эукариот, ни один известный вид архей не формирует спор.
Изначально архей считали экстремофилами, живущими в суровых условиях — горячих источниках, солёных озёрах, однако потом их нашли в различных местах, включая почву, океаны, болота и толстую кишку человека. Архей особенно много в океанах, и, возможно, планктонные археи — самая многочисленная группа ныне живущих организмов. Археи признаны важной составляющей жизни на Земле. Они играют роль в круговоротах углерода и азота. Ни один из известных представителей архей не является ни паразитом (за исключением наноархеот, являющихся паразитами других архей), ни патогенным организмом, однако они часто бывают мутуалистами и комменсалами. Некоторые представители являются метаногенами и обитают в пищеварительном тракте человека и жвачных, где они помогают осуществлять пищеварение. Метаногены используются в производстве биогаза и при очистке канализационных сточных вод, а ферменты экстремофильных микроорганизмов, сохраняющие активность при высоких температурах и в контакте с органическими растворителями, находят своё применение в биотехнологии.
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Теория симбиогене́за (симбиотическая теория, эндосимбиотическая теория, теория эндосимбиоза) объясняет механизм возникновения некоторых органоидов эукариотической клетки — митохондрий, гидрогеносом и пластид.
Бактериа́льная кле́тка обычно устроена наиболее просто по сравнению с клетками других живых организмов. Бактериальные клетки часто окружает капсула, которая служит защитой от внешней среды. Для многих свободноживущих бактерий характерно наличие жгутиков для передвижения, а также ворсинок.
Археи – микроорганизмы, живущие в экстремальных условиях
Археи – домен микроорганизмов, которые были обнаружены в начале 1970-х годов. Подобно бактериям, они являются одноклеточными прокариотами. Первоначально археи считались бактериями, пока анализ ДНК не показал, что это разные организмы. Они настолько различны, что открытие побудило ученых придумать новую систему классификации жизни.
Мы знаем, что многие из них являются экстремофилами, живущими и процветающими в самых экстремальных условиях, таких как чрезвычайно горячие, засушливые, кислотные или щелочные среды обитания.
Клетки Архей
Археи являются чрезвычайно маленькими микроорганизмами, которые нужно рассматривать под электронным микроскопом, чтобы идентифицировать их характеристики. Как и бактерии, они имеют различные формы, включая кокки (круглые), бациллы (стержнеобразные) и произвольные формы. Археи имеют типичную анатомию прокариотических клеток: плазмидная ДНК, клеточная стенка, клеточная мембрана, цитоплазма и рибосомы. У некоторых архей также есть длинные выросты, называемые жгутиками, которые помогают в движении.
Домен Археи
Живые организмы подразделяются на три домена и шесть царств. Домены включают:
Согласно последним данным, археи подразделяется на следующие основные типы:
Crenarchaeota
Crenarchaeota состоит в основном из гипертермофилов и термоацидофилов. Гипертермофильные микроорганизмы живут в чрезвычайно жарких или холодных условиях. Термоацидофилы представляют собой архей, которые обитают в чрезвычайно жарких и кислых средах. Их местообитания имеют рН от 5 до 1. Вы найдете эти организмы в гидротермальных жерлах и горячих источниках.
Euryarchaeota
Euryarchaeota – тип архей, включающий галофилов и метаногенов. Экстремальные галофильные микроорганизмы живут в соленой среде. Эти организмы обитают в соленых озерах или в районах, где испарилась морская вода.
Nanoarchaeota
Nanoarchaeota – тип архей, который был включен в основную классификацию домена с открытием Nanoarchaeum equitans в 2002 году, обнаруженного в гидротермальных источниках у берегов Исландии.
Korarchaeota
Представители типа Korarchaeota считаются очень примитивными живыми микроорганизмами. На сегодняшний день мало известно об основных характеристиках этих архей. Мы знаем, что они термофильные и встречаются в горячих источниках и обсидиановых бассейнах.
Thaumarchaeota
Thaumarchaeota – предложенный в 2008 году тип архей, который на данный момент включает следующие виды: Nitrosopumilus maritimus, Cenarchaeum symbiosum, Nitrososphaera viennensis и Nitrososphaera gargensis. Все представитель этого типа архей принадлежат к хемолитотрофам, окисляющим аммиак.
Филогенез Архей
Археи – интересные с точки зрения науки организмы, поскольку у них есть гены, похожие на бактерий и эукариот. Филогенетически, археи и бактерии, как предполагают ученые, развились от одного общего предка. Считается, что эукариоты отделились от архей миллионы лет спустя. Это указывает на то, что археи более тесно связаны с эукариотами, чем с бактериями.
Закинули археи эволюционный невод и вытянули.
Автор
Редактор
Рисунок 1. «Кольца жизни» по Лейку, указывающие на формирование крупных таксонов организмов в результате эндосимбиоза. Схема заимствована из [3].
Экскурс в плетение эволюционных сетей
Научное сообщество уже пришло к пониманию того, что эволюцию прокариот (бактерий и архей) невозможно отобразить с помощью классического дерева. По сути, деревья, построенные по разным генам, могут даже не походить друг на друга. Древовидный каркас, связанный с «вертикальной» передачей наследственной информации, конечно же, есть, но из-за обильных горизонтальных генетических потоков формируется структура, похожая на сеть (заглавный рисунок) [1].
Считается, что на заре эволюции, в «золотом веке додарвиновской жизни» по К. Везе [2], существовал общий, «коммунальный», генетический пул — древние организмы могли беспрепятственно обмениваться генами, методом проб и ошибок формируя различные комбинации признаков. По мере усложнения организмов и развития механизмов защиты собственной «идентичности» горизонтальные потоки превращались в ручейки, однако в мире прокариот и сейчас они играют ведущую роль в приобретении новых признаков и адаптации организмов к среде обитания. Помимо обмена, осуществляемого пестрой компанией мобильных генетических элементов*, в плетении филогенетических сетей задействованы и иные процессы. Некоторые, например, считают, что местами эволюционная схема напоминает кольчугу из-за сростания ветвей в кольца в результате эндосимбиотических событий (рис. 1). По аналогии с формированием эукариотической клетки М. Ривера и Дж. Лейк предложили еретическую (пока) гипотезу эндосимбиотического происхождения грамотрицательных бактерий. Улики, указывающие на потенциальных виновников этого бактериального ароморфоза — клостридий и актинобактерий, — рассмотрены в статье «Древо жизни завивается в кольца» [3].
Интенсивность горизонтального переноса зависит как от генетических особенностей таксона, так и от образа жизни его представителей: у эндосимбионтов он выражен слабо, в отличие от свободноживущих форм, контактирующих с сотнями видов микроорганизмов в ризосфере растений или сточных водах. Бактериям для этого совсем не обязательно быть близкими родственниками, необходимо лишь проживать в тесноте с соседями. Такая закономерность описана, например, в работе [5]: представители Proteobacteria активно обмениваются генами на уровне класса и даже отдела при условии обитания в одной эконише, причем ведущим механизмом обмена выступает конъюгация, для которой обязателен физический контакт донора плазмиды с реципиентом. В целом, масштабы генетического обмена с соседями впечатляют — до 98% генов некоторых прокариот могли быть получены именно таким путем. Конечно, речь идет о приобретениях, сделанных конкретными эволюционными линиями за все время их существования [1].
Биоинформатический инструментарий, позволяющий выявлять события горизонтального генетического переноса на разной таксономической «глубине» и строить эволюционные сети, разработали недавно. Вкупе с нарастанием числа полностью прочитанных геномов этот инструментарий оказал неоценимую услугу биологам, пытающимся пролить свет на обстоятельства формирования крупных прокариотических таксонов. Последние традиционно распознаются на основе сравнения генов 16S рРНК, в лучшем случае подкрепленного филогенией 30–40 универсальных информационных генов (кодируют белки, участвующие в биогенезе рибосом и реализации наследственной информации). Предоставляя неплохую основу для классификации, эти гены составляют лишь 1% прокариотического генома, а потому не отражают особенности целого генофонда конкретной группы и не могут подсказать, какие именно изменения привели к ее формированию.
Рисунок 2. Референсное филогенетическое дерево архей [6]. В скобках напротив каждого таксона: количество архей-специфичных семейств генов / количество семейств, заимствованных у бактерий. Группа Others включает представителей отделов Thaumarchaeota, Nanoarchaeota и Korarchaeota.
Прокариотическая экономика: Archaea-центричная модель
* — История этого открытия — в статье «Карл Вёзе (1928–2012)» [2]. — Ред.
Для лучшего понимания работы Нельсона-Сати стоит упомянуть, что на заимствование какого-либо гена указывает высокая степень его сходства с гомологом из отдаленного таксона при отсутствии подобного гена у близких родственников. Учитывая этот принцип, интернациональный коллектив ученых решил проинспектировать гены 267 568 белков, локализованные в 134 полностью секвенированных архейных хромосомах. Для этого потребовалась следующая подготовка:
Поиск похожих генных семейств у бактерий выявил, что 2/3 (16 983) кластеров не имеют гомологов у представителей домена Bacteria, то есть архей-специфичны. Более того, эти гены распределяются в строгом соответствии с 13 ветвями референсного дерева, а значит, и поддерживают разделение 13 высших архейных таксонов, присутствующих в данной выборке. 85% генных семейств зафиксированы у одного таксона, 9% — одновременно у двух и лишь 0,3% — у всей выборки.
У трети кластеров (8 779 семейств) были обнаружены бактериальные гомологи. Далее по построенным с их учетом деревьям исследователи судили о монофилетичности архей по тем или иным генам, об уникальности/обилии гомологов в геномах бактерий и архей — все это указывало направление генетических потоков. В итоге были сформулированы основные результаты:
Таким образом, горизонтальный генетический перенос между доменами Archaea и Bacteria, зафиксированный в данной работе, сильно поляризован — направлен преимущественно в сторону архей, причем чаще в нем участвуют метаболические гены. Импорт бактериальных генных кластеров четко коррелирует с образованием высших таксонов архей.
Рисунок 3. Эволюционная сеть архей [6]. Сверху представлена референсная филогения, основанная на сцепленных последовательностях 70 универсальных генов. Порядок клад такой же, как на рис.2. Археи укоренены на Korarchaeota. Шкала с градацией серого (0–70) показывает, сколько раз каждая ветвь референсного древа «перекрывалась» дендрограммами каждого из 70 генов. Цветная шкала (1–379) отражает интенсивность горизонтального обмена генами, т.е. сколько раз тот или иной бактериальный таксон выступал донором генов. Бактериальные таксоны слева направо: Chlorobi, Bacteroidetes, Acidobacteria, Chlamydiae, Planctomycetes, Spirochaetes, ε-Proteobacteria, δ-Proteobacteria, β-Proteobacteria, γ-Proteobacteria, α-Proteobacteria, Actinobacteria, Bacilli, Tenericutes, Negativicutes, Clostridia, Cyanobacteria, Chloroflexi, Deinococcus-Thermococcus, Fusobacteria, Aquificae, Thermotogae. Наиболее мощный трафик (красная линия) наблюдается между Haloarchaea и Actinobacteria. Количество заимствований каждой группой архей приведено на рисунке.
Байки о междоменной борьбе за существование, алчности и неблагодарности
С чем же может быть связана обнаруженная грубая асимметрия генных потоков? Авторы статьи полагают, что частично в этом виноват стиль жизни метаногенов, на которых приходится львиная доля генимпорта. Домен Archaea вообще богат на «спартанцев» — хемолитоавтотрофов, не нуждающихся в готовой органике, получающих углерод в основном из СО2, а энергию посредством окислительно-восстановительных реакций с использованием неорганических веществ. Возможно, «не корысти ради, а токмо волею» сильных конкурентов приходится им ютиться в экстремальных и голодных нишах. Метаногены — узкие специалисты, получающие энергию за счет восстановления углекислоты молекулярным водородом. Как в сказке сказывается, и хочется царицею морскою стать, да ДНК «холопская». И возроптала, наконец, часть метаногенов в своем анаэробном доисторическом «корыте» — побарствовать захотелось, вздохнуть полной грудью. Но перекрыты оказались пути-дорожки генерализации до притока нового генетического материала. Вот и закинули метаногены эволюционный невод. И превратила золотая рыбка самых отчаянных из них в основателей новых крупных таксонов — Haloarchaea, Archaeoglobales и Thermoplasmatales, получивших возможность осваивать иные ниши благодаря органотрофии.
Делиться с бактериями своим генетическим хозяйством археи, видно, не очень любят по политическим соображениям: снабдишь конкурентов полезными нише-специфическими признаками, а они весь твой род потом вытеснят. Даже из «убитого корыта». Подозрительна, например, биография раздувшегося до целой экосистемы сульфатредуктора Desulforudis audaxviator — резидента скважины золотого прииска в ЮАР [10]. Клостридия-экстремалка влачит свое существование в трехкилометровом подземелье, ни солнца, ни кислорода, ни общения не зная, позабыв, когда в последний раз размножалась. Зато добывать себе скудное пропитание она научилась всеми возможными для членов традиционной экосистемы способами. Как? Конечно, экспроприировав у архей гены, связанные со спартанским образом жизни — фиксацией азота, утилизацией неорганического углерода и водорода, сульфатредукцией и т. п. На всякий случай разжилась бактерия и CRISPR-ассоциированными* генами («Вдруг стала так похожа на архею, что и вирус не различит?»).
В то же время, хитрая клостридия предусмотрительно оставила себе гены гетеротрофного метаболизма, которых нет у архей-метаногенов, обитающих в подобных условиях («Вдруг совсем голодно станет, родственники лизироваться начнут, что ж добру-то пропадать?»). Да еще и спорообразование припасла на совсем уж крайний случай. А где же та щедрая архея, что наделила Desulforudis audaxviator способностями к жизни в экстремальных условиях? Ведь раз горизонтальный перенос случился, контакт был точно! Но. В 2600 литрах скважинной воды ученые обнаружили только ДНК узурпатора. Позже «надежные источники» сообщили об обнаружении близких родственников Desulforudis audaxviator, обитающих в шахтах гидротермальной электростанции в Германии совместно с археями. А вдруг южноафриканская клостридия не воспитала в себе «политкорректность», да и съела своих благодетелей в особо голодные годы? Кто знает.
* — О CRISPR-ассоциированных генах можно прочитать статью «CRISPR-системы: иммунизация прокариот» [11]. — Ред.
Генуборка — двигатель прогресса.
Эволюция архей глазами других биологов. Генуборка — двигатель прогресса
Стоит отметить, что работа Ш. Нельсона-Сати и его коллег строилась на определенном фундаменте — факты судьбоносного импорта ДНК археями фиксировались и ранее. Например, о более сложных эволюционных тропах, по которым в геном Thaumarchaeota попали бактериальные гены стрессовых белков, рассказано в статье [12]. Излагая упрощенно, ген нетипичного ко-шаперона DnaJ-Fer путем горизонтального переноса переместился из цианобактерий в Viridiplantae (зеленые растения), а оттуда — в Thaumarchaeota, где «встретился» с генами шаперонной системы DnaK/DnaJ/GrpE, проследовавшими из бактерий в мезофильные археи, а затем — в термофильные. Предполагается, что эта череда междоменных переносов сыграла важную роль в адаптации некоторых архейных групп с гипертермофильными «корнями» к мезо- и термофильным условиям.
Нельсон-Сати и соавторы [6] напоминают, что заимствование бактериальных генов привело не только к возникновению высших таксонов архей, но и к более весомому ароморфозу — образованию эукариотической клетки. Ведь считается, что последняя унаследовала от архей ядро и цитоплазму вместе с механизмами реализации наследственной информации, а вся «периферия» — метаболические пути, сигнальные системы, структура мембран, не говоря уже о пластидах и митохондриях, — досталась эукариотам от бактерий.
Авторы полагают, что без симбиотических событий не обошлось и в моменты закладки крупных таксонов Archaea, а также отмечают, что их данные поддерживают теорию «быстрого расширения и медленного сокращения», сформулированную по отношению к эволюции геномов Юрием Вольфом и Евгением Куниным в статье [13]. Разработчики теории утверждают, что именно редукция геномов, а не постоянное их увеличение за счет притока новых генов, — преобладающий эволюционный механизм. Этот вывод был сделан на основе сравнительного анализа 120 архейных геномов. Реконструированный в исследовании общий предок архей обладал более крупным геномом, чем все современные представители домена. Формирование крупных кладов архей так же, как и в работе Нельсона-Сати, коррелировало с заимствованием генов, а далее в подавляющем большинстве линий шла оптимизация геномов с постепенной редукцией. Но исключения всё же существуют. Вольф и Кунин отмечают, что Halobacteria и Methanosarcinales «компенсируют» потери интенсивным импортом бактериальных генов и потому увеличивают геномы.
В более ранней статье Юрий Вольф и соавторы на примере архейной и референсной бактериальной выборок подсчитали, что в эволюции прокариотических линий минимальное соотношение потерь и приобретений генов — 4:1 [14]. В работе также отмечено, что горизонтальный генетический перенос между группами архей в целом однороден и не формирует каких-то выделяющихся магистралей, за исключением крупных потоков в направлении Halobacteria.
По мере углубления знаний о родстве и распространении не только «коровых», но и «периферических» генов, растет и крепнет уважение биологов к паукообразному божеству, плетущему вычурные эволюционные сети — Горизонтальному Генетическому Переносу. А ведь процесс конъюгации, обнаруженный в 1946 году Джошуа Ледербергом и Эдвардом Л. Татумом, несколько десятилетий оставался в тени научного догматизма* — пока на смену эйфории от начала эры антибиотиков не пришло тревожное ощущение неконтролируемости многих смертельных инфекций. И лишь в последние годы горизонтальный перенос окончательно признали одним из механизмов эволюции.
Археи
Археи (лат. Archaea от др.-греч. ἀρχαῖος «извечный, древний, первозданный, старый») — одна из групп живых организмов, в которую входят микроскопические одноклеточные прокариоты, которые существенно отличаются рядом физиолого-биохимических признаков от настоящих бактерий. Хотя до сих пор имеется неопределенность в точном филогенезе этих групп, археи, эукариоты и бактерии являются фундаментальными группами в так называемой системе трех доменов. Подобно бактериям, археи — это одноклеточные организмы, не имеющие ядра, и поэтому классифицируются как прокариоты (Prokaryota) — известные также как Monera в таксономии пяти царств. Археи сначала были обнаружено в экстремальных средах, но затем они были найдены во всех типах экосистем. Архебактерии существенно отличаются от других микроорганизмов по составу и последовательности нуклеотидов в рибосомных и транспортных РНК.
Содержание
[править] История
Биологический термин архея (археи) не следует путать с архейской геологической эрой, также известной как Археозойская эра. Последний термин ссылается на древний период земной истории, когда археи и бактерии были единственными клеточными организмами, жившими на планете. Возможные окаменелости этих микробов были датированы почти 3 800 000 000 лет назад.
[править] Археи, эукариоты и бактерии
Археи подобны другим прокариотам в большинстве аспектов структуры клетки и метаболизма. Однако, их генетическая транскрипция и трансляция — два центральных процесса в молекулярной биологии — не проявляют типичных для бактерий особенностей, но чрезвычайно подобны этим процессам у эукариотов. Например, система трансляции архей использует эукариотические факторы инициации и элонгации, а их система транскрипции применяет TATA-связываемые белки и TFIIB, как у эукариотов. Гены тРНК и рРНК архей содержат уникальные археальные интроны, которые не похожи ни на эукариотические, ни на бактериальные интроны.
Некоторые другие характеристики также выделяют архей. Подобно бактериям и эукариотам, археи имеют основанные на глицерине фосфолипиды. Однако, три особенности липидов архей необычны:
Эта адаптация распространенная у чрезвычайно теплолюбивых архей. Хотя они и не уникальны, клеточные стенки архей также необычны. Например, клеточные стенки большинства архей образованны внешними слоями белков или S-слоем. S-слоя распространены у бактерий, они служат единственным компонентом клеточной стенки в некоторых организмах (например, в Planctomyces) или внешним слоем во многих организмах с пептидогликаном. За исключением одной группы метаногенов, археи не имеют пептидогликановой стенки. Однако даже в этом случае, пептидогликаны очень отличаются от разновидности, найденной у бактерий. Археи также имеют жгутики, которые значительно отличаются по составу от очень похожих жгутиков бактерий. Бактериальные жгутики — это измененная система секреции III типа, тогда как жгутики архей напоминают ворсинки IV типа (type IV pili), которые используют sec-зависимую систему секреции, несколько подобную, но все же отличную от системы секреции II типа.
[править] Среда
Многие археи — экстремофилы. Некоторые живут при очень высоких температурах, часто выше 100° C, как те, которых нашли в гейзерах и черных курильщиках. Других найдены в очень холодных средах или в чрезвычайно соленой, кислой или щелочной воде. Однако, некоторые археи — мезофилы, живут в средах, подобных болотам, сточным водам и почве. Многие метаногенные археи найдены в пищеварительных трактах животных, например, жвачных животных, термитов и людей. Археи не патогенны, и неизвестно, чтобы какие-либо из них вызвали болезнь.
Из чего же сделан хроматин архей?
Модель гипернуклеосомы архей на примере гистона HMfB. Димеры гистона формируют левозакрученную спираль, на которую намотана ДНК. Разными цветами отмечены разные димеры гистонов, ДНК закрашена серым.
Автор
Редактор
Археи, несмотря на то, что не имеют оформленного ядра, по очень многим признакам гораздо больше похожи на эукариот, чем на бактерий. В частности, их геномная ДНК упакована и компактизирована с помощью гистонов, как у эукариот. Однако гистоны эти весьма своеобразны (как, наверное, и всё у архей): в отличие от гистонов эукариот, они не формируют стабильные октамерные нуклеосомы, хотя третичные структуры гистонов архей и эукариот очень похожи. Последние исследования свидетельствуют, что «нуклеосомы» архей не имеют фиксированного размера и состоят из различного числа димеров гистонов, причем плотность упаковки ДНК с помощью таких вариабельных нуклеосом напрямую связана с репрессией транскрипции связанного с ними участка ДНК. Что наиболее удивительно, длина нуклеосом архей, похоже, может быть практически неограниченной, за что исследователи назвали их гипернуклеосомами. Впрочем, с помощью биоинформатического анализа у некоторых архей удалось найти гистоны с сильно отличающейся от остальных аминокислотной последовательностью, которые, по-видимому, неспособны формировать гипернуклеосомы. Наконец, у некоторых архей есть гистоны с N- и C-концевыми хвостами, которые похожи на хвосты гистонов эукариот и тоже могут подвергаться посттрансляционным модификациям. Так каковы же они, гистоны архей, и как устроен хроматин архей? В статье мы постараемся ответить на эти вопросы.
Необходимость поддерживать пространственную архитектуру хроматина стоит перед представителями всех трех доменов жизни: архей, бактерий и эукариот. У бактерий имеются особые белки — нуклеоид-ассоциированные белки (nucleoid-associated proteins, NAPs), позволяющие изгибать или переплетать спирали ДНК, и эти белки не только определяют структуру бактериального хроматина, но и влияют на активность определенных участков генома. К числу таких белков относятся, в частности, гистоноподобный белок HU из штамма U93 E. coli, а также H-NS — гистоноподобный белок, структурирующий нуклеоид. У эукариот и большинства архей задачу упаковки геномной ДНК выполняют гистоны [1]. Хотя наша статья посвящена гистонам архей, будет нелишним напомнить, как устроены гистоны эукариот.
Гистоны эукариот
У эукариот ДНК, подобно нити, наматывается на «катушки» — нуклеосомы, состоящие из восьми молекул гистонов: по две молекулы гистонов H2A, H2B, H3 и H4 (рис. 1). Строго говоря, нуклеосома состоит из двух димеров H2A—H2B и тетрамера H3—H4, на которые намотана ДНК длиной около 146 пар оснований двумя витками. Для всех гистонов характерен особый структурный мотив, известный как гистоновая складка (histone fold): две короткие и одна длинная α-спираль, разделенные петлями. Существуют предположения, что в некоторых условиях, например, при элонгации транскрипции, функциональную роль начинают играть «неканонические» комплексы гистонов: тетрасомы, представляющие собой тетрамеры H3—H4, гексасомы (тетрамер H3—H4 и один димер H2A/H2B), а также гемисомы — димер H3—H4 плюс димер H2A/H2B. Помимо кóровых гистонов, у эукариот имеется также линкерный гистон H1, лишенный гистоновой складки. Он взаимодействует с ДНК прямо в точке ее входа на нуклеосому и выхода с нее. Важную роль в компактизации ДНК эукариот играют N-концевые хвосты гистонов, которые могут подвергаться многочисленным посттрансляционным модификациям — ацетилированию, метилированию, фосфорилированию, убиквитинированию и биотинилированию, что имеет колоссальное значение для регуляции экспрессии генов [1].
Рисунок 1. Сравнение гистона и гистонового октамера эукариот и гистона архей. а — Эукариотическая нуклеосома. Желтым цветом окрашены гистоны H2A; красным — H2B; голубым — H3; зеленым — H4. б — Архейный гистон HMfB. HMfB — histone B из Methanothermus fervidus.
Ноу-хау архей: бесконечная гипернуклеосома
Что же касается архей, то гистоны имеются у большинства видов в самых разных группах. Любопытно, что у некоторых есть и гомолог бактериального гистоноподобного белка HU, а у многих архей идентифицированы особые высококонсервативные нуклеоид-ассоциированные белки семейства Alba, которые, впрочем, найдены и у эукариот (рис. 2). Эти белки способны к формированию филаментов при взаимодействии с ДНК, а также соединяют дуплексы ДНК подобно мостикам. Эксперименты в условиях in vitro показали, что связывание ДНК с белками Alba подавляет транскрипцию. Любопытно, что у большинства архей типа кренархеотов отсутствуют гистоны, и ведущую роль в организации хроматина играют NAPs [1].
Рисунок 2. Модель организации хроматина архей
Существуют и другие, более малочисленные белки, влияющие на упаковку ДНК, которые содержат некоторые кренархеоты и эвриархеоты. Например, у кренархеотов имеются специфические мономерные белки, изгибающие ДНК, — Cren7 и Sul7 [1].
Гистоны архей, как и гистоны эукариот, имеют гистоновую складку, однако, как правило, лишены N-концевых хвостов. Не выявлено у архей и линкерных гистонов, гомологичных эукариотическому гистону H1.
В растворе гистоны архей образуют димеры — как гомодимеры, так и гетеродимеры, поскольку многие археи синтезируют гистоны нескольких видов. К примеру, архея Methanothermus fervidus производит два разных гистона, уровень синтеза и относительное соотношение которых различны в разных фазах роста, поэтому, возможно, эти белки имеют разное функциональное значение [1].
Имеются сведения, что как in vitro, так и in vivo гистоны архей могут связывать ДНК в виде тетрамеров. Ряд исследований показал, что в действительности ДНК архей связана с неограниченным числом димеров гистонов, которые, взаимодействуя друг с другом, формируют ДНК-белковый филамент вариабельной, теоретически неограниченной длины. Кристаллографическое изучение гистона HMfB вышеупомянутой археи M. fervidus показало, что in vitro его молекулы формируют бесконечную левозакрученную нить — гипернуклеосому, — причем чем больше витков в ней, тем плотнее упакована намотанная на нее ДНК. Когда структуру гипернуклеосомы у археи Thermococcus kodakarensis экспериментально нарушали, вводя мутации в гистоны, архея начинала иначе реагировать на определенные питательные вещества, что свидетельствует о роли упаковки ДНК архей в экспрессии генов [1].
Изучая гистон HMfB, исследователи выяснили, что он образует димеры за счет гидрофобных взаимодействий аминокислотных остатков, расположенных в глубине молекулы, а также посредством гистоновых складок, для формирования которых необходим один крайне важный солевой мостик. Эти гидрофобные остатки, а также остатки, образующие солевой мостик, оказались высококонсервативными среди гистонов архей, поэтому гистоны архей, вероятнее всего, в большинстве своем имеют схожую структуру. Кроме того, консервативными оказались и аминокислоты, которые обеспечивают взаимодействие гистонов архей с малой бороздкой ДНК. На основании перечисленных данных высказали предположение, что гипернуклеосомы характерны для хроматина большинства архей. Впрочем, некоторые новооткрытые археи из прежде неизвестных типов имеют крайне необычные гистоны, о которых расскажем ниже [1].
Эволюция гистонов
Предполагается, что эволюционно гистоны эукариот произошли от гистонов архей. Родство этих белков подтверждается высоким сходством и аминокислотных последовательностей, и вторичных структур. По расчетам исследователей, первые гистоны появились более одного миллиарда лет назад именно как структурные белки, а участвовать в регуляции экспрессии генов они стали гораздо позже, когда у эукариот обособились четыре типа коровых гистонов [2]. Интересно, что гистоновая складка есть не только у некоторых эукариотических белков, не являющихся гистонами (таких как некоторые факторы транскрипции), но и у белков некоторых бактерий. Биоинформатический анализ последовательностей этих белков показал, что мотив гистоновой складки существовал уже во времена последнего универсального общего предка (LUCA) [3].
Как упоминалось выше, элементарная единица комплексов гистонов большинства архей — димер, но у архей класса Halobacteria имеются необычные тандемные гистоны. Эти гистоны представляют собой сшитый в одну полипептидную цепь димер с двумя взаимодействующими гистоновыми складками [2], что подчеркивает важность и необходимость гистоновой складки для формирования такого димера. Вместе с тем давление отбора на остальную часть молекулы тандемного гистона ослабевало, и, согласно одной из гипотез, из тандемного гистона в конце концов появился асимметричный гистон-димер, который мог стать предком эукариотического димера H3—H4. Впоследствии асимметричный гистон разъединился на два разных белка, кодируемых двумя разными генами. Действительно, тетрамер гистонов архей структурно очень близок к эукариотическому тетрамеру H3—H4, а гистоны H2A и H2B, как предполагается, произошли позже от разделившихся гистонов H3 и H4. В пользу такого сценария свидетельствует и тот факт, что гистоны H3 и H4 гораздо больше похожи на гистоны архей, чем гистоны H2A и H2B [1].
Далее у эукариот начали появляться так называемые неканонические формы гистонов, которые часто приурочены к определенным клеточным процессам, причем, что интересно, неканонических форм гистонов H2B и H4 практически неизвестно, в то время как для H3 и H2A они описаны в изобилии. Дальнейшим усложнением эукариотических гистонов стало формирование октамеров, на которые ДНК наматывается в виде двух витков, а не одного, а также появление N-концевых хвостов, которые позволили еще плотнее компактизировать ДНК и стали подвергаться интенсивным посттрансляционным модификациям [1].
Посттрансляционные модификации гистонов архей
Долгое время было принято считать, что гистоны архей не подвергаются посттрансляционным модификациям, а их регуляторная роль сводится к блокировке транскрипции ДНК, с которой они связаны, за счет того, что они не дают РНК-полимеразе II связываться с ДНК и синтезировать РНК-транскрипт. Так, у археи T. kodakarensis, имеющей два разных гистона, делеция одного из них приводила к почти десятикратному усилению экспрессии около 5% генов (однако делеция обоих гистонов оказалась несовместима с жизнью, что указывает на важнейшую роль гистонов в функционировании клетки). Ранние эксперименты по транскрипции in vitro с транскрипционной машинерией археи Methanothermobacter thermoautotrophicus показали, что добавление гистонов к раствору с ДНК и белками транскрипции снижало количество вырабатываемых транскриптов, а при добавлении гистонов в концентрации, в которой они, согласно расчетам, должны связывать всю находящуюся в растворе ДНК (около 1 димера гистонов на 30 пар оснований ДНК) синтез РНК останавливался вовсе. Схожие данные были получены для транскрипционного аппарата Pyrococcus furiosus.
Считается, что архейные транскрипционные факторы TBP и TFB способствуют транскрипции, поскольку конкурируют с гистоновыми димерами за связывание с ДНК и в конечном счете вытесняют их (рис. 3а). У T. kodakarensis удалось выявить, что фактор транскрипции TFS, а также комплекс Spt4/5 облегчает взаимодействие РНК-полимеразы с ДНК, что также активирует экспрессию генов (рис. 3б) [2].
Рисунок 3. У архей транскрипционные факторы вытесняют димеры гистонов с ДНК и тем самым способствуют активации экспрессии генов
Новооткрытые группы архей принесли биологам и другие сюрпризы. Оказалось, что некоторые представители предполагаемых типов Heimdallarchaeota, Huberarchaea и Bathyarchaeota имеют гистоны с N-концевыми хвостами, как гистоны эукариот! Хвосты двух гистонов, найденных у Heimdallarchaeota и Huberarchaea, имеют примерно ту же длину и аминокислотный состав, что и хвост гистона H4. Поскольку четыре остатка лизина в N-концевом хвосте H4 подвергаются ацетилированию, гипотетически они могут ацетилироваться и в хвостах гистонов архей, тем более что в их геномах найдено несколько предполагаемых лизинацетилтрансфераз и деацетилаз. Более того, идентифицировали даже белок, который может распознавать эти ацетилированные остатки. Так что археи, вполне вероятно, используют посттрансляционные модификации гистонов для регуляции уровня компактизации генома и экспрессии генов, как эукариоты. Более того, некоторые гистоны архей имеют не N-концевые, а C-концевые хвосты, похожие на короткий C-концевой хвост эукариотического гистона H4. В геномах некоторых архей найдены гены, кодирующие «усеченные» версии гистонов, которые, тем не менее, способны связываться с ДНК и выполнять некоторые регуляторные функции [1]. Показано также, что посттрансляционным модификациям могут подвергаться и NAPs семейства Alba [2].
Несмотря на значительный прогресс в нашем понимании устройства хроматина архей, многое еще предстоит выяснить. Неизвестно, например, насколько динамичны гипернуклеосомы, и как клетки регулируют размер теоретически бесконечных гипернуклеосом? Как на структуре гипернуклеосомы отражается синтез особых форм гистонов в определенных условиях [1]? Остается надеяться, что дальнейшее изучение «темной материи» хроматина архей поможет ответить на эти и многие другие вопросы.