Joker game ไมโตคอนเดรียและต้นกําเนิดของยูคาริโอต

Joker game ไมโตคอนเดรียและต้นกําเนิดของยูคาริโอต

ออร์แกเนลล์โรงไฟฟ้าเป็นแรงผลักดัน Joker game หรือเป็นส่วนเสริมที่ล่าช้าในวิวัฒนาการของเซลล์ที่ซับซ้อนมากขึ้นเช่นเราหรือไม่?

เป็นเวลาหลายพันล้านปีหลังจากต้นกําเนิดของชีวิตสิ่งมีชีวิตเพียงแห่งเดียวในโลกคือเซลล์ดั้งเดิมขนาดเล็กที่มีลักษณะคล้ายแบคทีเรียในปัจจุบัน แต่แล้วกว่า 1.5 พันล้านปีก่อนมีบางสิ่งที่น่าทึ่งเกิดขึ้น: หนึ่งในเซลล์ดั้งเดิมเหล่านั้นซึ่งเป็นของกลุ่ม

ค้นหาสูงและต่ําสําหรับต้นกําเนิดของชีวิต

แทนที่จะถูกย่อยแบคทีเรียกลับมีถิ่นที่อยู่ถาวรภายในสิ่งมีชีวิตอื่นๆ เป็นสิ่งที่นักชีววิทยาเรียกว่าเอนโดซิมเบียนต์ ในที่สุดมันก็รวมเข้ากับเซลล์โฮสต์โบราณของมันอย่างสมบูรณ์กลายเป็นสิ่งที่เรารู้จักในปัจจุบันในฐานะไมโตคอนเดรียซึ่งเป็นส่วนประกอบสําคัญในการผลิตพลังงานของเซลล์

การได้มาของมันถูกมองว่าเป็นขั้นตอนสําคัญในสิ่งที่เป็นก้าวกระโดดวิวัฒนาการที่สําคัญที่สุดนับตั้งแต่ต้นกําเนิดของชีวิต: การเปลี่ยนจากเซลล์ดึกดําบรรพ์ต้นหรือโปรคาริโอตไปยังเซลล์ที่ซับซ้อนมากขึ้นของสิ่งมีชีวิตที่สูงขึ้นหรือยูคาริโอตรวมถึงตัวเราเอง

มันเป็นเรื่องราวที่เรียบร้อยที่คุณจะพบในตําราชีววิทยาส่วนใหญ่ – แต่มันค่อนข้างง่ายหรือไม่? ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาหลักฐานใหม่ได้ท้าทายแนวคิดที่ว่าไมโตคอนเดรียมีบทบาทในการเปลี่ยนแปลงนี้ นักวิจัยที่จัดลําดับจีโนมของญาติสมัยใหม่ของยูคาริโอตตัวแรกได้พบยีนที่ไม่คาดคิดมากมายที่ดูเหมือนจะไม่ได้มาจากโฮสต์หรือเอนโดซิมเบียนต์ และนักวิทยาศาสตร์บางคนแนะนําอาจหมายความว่าวิวัฒนาการของยูคาริโอตตัวแรกเกี่ยวข้องกับพันธมิตรมากกว่าสองคนและเกิดขึ้นทีละน้อยกว่าที่สงสัย

คนอื่น ไม่เห็นเหตุผลที่จะละทิ้งทฤษฎีที่ว่าการได้มาซึ่งไมโตคอนเดรียเป็นประกายไฟที่จุดประกายวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วของยูคาริโอต — ก่อให้เกิด, eons ในภายหลัง, พืช,, สัตว์มีกระดูกสันหลัง, คน. หลักฐานใหม่จากจีโนมและชีววิทยาของเซลล์อาจช่วยแก้ไขการอภิปรายในขณะเดียวกันก็ชี้ไปที่ช่องว่างความรู้ที่ยังต้องเติมเต็มเพื่อทําความเข้าใจหนึ่งในเหตุการณ์พื้นฐานในบรรพบุรุษของเราเองซึ่งเป็นต้นกําเนิดของเซลล์ที่ซับซ้อน

Joker game

เซลล์โปรคาริโอต – แบคทีเรียและอาร์เคียสมัยใหม่ – มีแนวโน้มที่จะมีขนาดเล็กและเรียบง่ายโดยมีโครงสร้างภายในเพียงเล็กน้อย เซลล์ยูคาริโอตเช่นเซลล์ของพืชและสัตว์ในปัจจุบันมีความซับซ้อนมากขึ้น พวกเขามีโครงสร้างภายในจํานวนมากหรือออร์แกเนลล์ที่ทําหน้าที่เฉพาะ

ความพิเศษลึกลับ

ยีนลึกลับปรากฏขึ้นในทศวรรษที่ผ่านมาเมื่อนักวิจัยรวมถึง Toni Gabaldón นักจีโนมวิวัฒนาการ  ที่ Barcelona Supercomputing Centre และเพื่อนร่วมงานของเขาใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีการจัดลําดับยีนราคาถูกในปัจจุบันเพื่อสํารวจจีโนมของยูคาริโอตที่หลากหลายรวมถึงญาติที่คลุมเครือดั้งเดิมและทันสมัยของยูคาริโอตยุคแรก ๆ

พวกเขาคาดว่าจะพบยีนที่มีเชื้อสายสืบย้อนไปถึงโฮสต์โบราณหรือบรรพบุรุษของไมโตคอนเดรียซึ่งเป็นสมาชิกของกลุ่มที่เรียกว่า alphaproteobacteria แต่ที่น่าประหลาดใจของพวกเขานักวิทยาศาสตร์ยังพบยีนที่ดูเหมือนจะมาจากแบคทีเรียอื่น ๆ ที่หลากหลาย

Gabaldón และเพื่อนร่วมงานตั้งสมมติฐานว่าบรรพบุรุษของเซลล์ของยูคาริโอตได้รับยีนจากพันธมิตรที่หลากหลาย พันธมิตรเหล่านั้นอาจเป็น endosymbionts เพิ่มเติมที่หายไปในภายหลังหรือแบคทีเรียที่มีชีวิตอิสระที่ส่งยีนหนึ่งหรือสองสองสามยีนไปยังโฮสต์ของบรรพบุรุษในกระบวนการทั่วไปที่เรียกว่าการถ่ายโอนยีนในแนวนอน ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดแทงโก้ที่นําไปสู่ยูคาริโอตเกี่ยวข้องกับนักเต้นมากกว่าสองคนพวกเขาแนะนํา

“ตอนนี้เป็นที่ชัดเจนว่ามีการมีส่วนร่วมเพิ่มเติมจากพันธมิตรเพิ่มเติม” Gabaldón ซึ่งเขียนเกี่ยวกับวิวัฒนาการในช่วงต้นของยูคาริโอตในการทบทวนจุลชีววิทยาประจําปี 2021  กล่าว

มันยากที่จะรู้ว่ายีนต่างประเทศโบราณเหล่านั้นมาจากไหนเพราะเวลาผ่านไปนานมาก แต่มี endosymbioses ล่าสุดที่หลวมกว่าซึ่งต้นกําเนิดของยีนต่างประเทศนั้นง่ายต่อการระบุ John McCutcheon นักชีววิทยาเซลล์วิวัฒนาการที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐแอริโซนาใน Tempe กล่าว ซึ่งเขียนเกี่ยวกับวิวัฒนาการเอนโดซิมเบียนต์ในการทบทวนชีววิทยาของเซลล์และพัฒนาการประจําปี 2021  การศึกษาศักยภาพเหล่านี้โดยการเปรียบเทียบทําให้เราเข้าใจว่าไมโตคอนเดรียและยูคาริโอตตัวแรกสามารถพัฒนาได้อย่างไรเขากล่าว

เพื่อนร่วมเซลล์

ตัวอย่างที่สําคัญคือความร่วมมือระหว่างแมลงที่เรียกว่าเพลี้ยแป้งและ endosymbionts ของแบคทีเรียอายุประมาณ 100 ล้านปีโดยตัวหนึ่งซ้อนกันอยู่ภายในอีกตัวหนึ่งในเซลล์เพลี้ยแป้ง (เอนโดซิมเบียนต์สร้างกรดอะมิโนที่จําเป็นซึ่งเพลี้ยแป้งไม่สามารถหาได้จากอาหารของมัน)

จากการวิเคราะห์จีโนม McCutcheon และเพื่อนร่วมงานของเขาพบว่าเส้นทางการเผาผลาญของเพลี้ยแป้งตอนนี้เป็นโมเสกที่ประกอบด้วยยีนที่มีต้นกําเนิดมาจากแมลงเองเข้ามาด้วย endosymbionts ของพวกเขาหรือถูกหยิบขึ้นมาโดยการถ่ายโอนแนวนอนจากจุลินทรีย์อื่น ๆ ในสภาพแวดล้อม

ทีมงานของ McCutcheon ได้แสดงให้เห็นว่าเซลล์เพลี้ยแป้งต้องพัฒนาอุปกรณ์ที่ขนส่งโปรตีนไป มา ระหว่างสิ่งมีชีวิตที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นสิ่งมีชีวิตอิสระ ซึ่งทําให้เซลล์จากเซลล์เพลี้ยแป้งสามารถเดินทางผ่านเยื่อหุ้มเอนโดซิมเบียนต์สองชุดเพื่อใช้โดยเอนโดซิมเบียนต์ชั้นในสุด

สิ่งที่คล้ายกันเกิดขึ้นในยูคาริโอตที่มีลักษณะคล้ายอะมีบาเซลล์เดียวที่เรียกว่า Paulinella  Paulinella มี endosymbiont ซึ่งถูกกลืนกินเมื่อหลายสิบล้านปีก่อนซึ่งช่วยให้สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากแสงแดดได้โดยไม่ต้องใช้ออร์แกเนลล์คลอโรพลาสต์ที่มักจะให้พลังงานในการสังเคราะห์ด้วยแสง  Eva Nowack ซึ่งเป็นผู้นําห้องปฏิบัติการที่มหาวิทยาลัยดึสเซลดอร์ฟในเยอรมนีค้นพบว่าจีโนมของ Paulinella ตอนนี้มียีนจาก endosymbiont พร้อมกับคนอื่น ๆ ที่ได้มาจากการถ่ายโอนยีนในแนวนอน

เอนโดซิมเบียนต์นําเข้าโปรตีนมากกว่า 400 ชนิดจากโฮสต์ดังนั้นจึงต้องมีการพัฒนาระบบการขนส่งโปรตีนที่ซับซ้อนเช่นเพลี้ยแป้ง แอนดรูว์ โรเจอร์ นักวิวัฒนาการระดับโมเลกุลกล่าว ซึ่งศึกษาวิวัฒนาการของออร์แกเนลล์ที่มหาวิทยาลัย Dalhousie ในเมืองแฮลิแฟกซ์ ประเทศแคนาดา เพราะชี้ให้เห็นว่าการพัฒนาระบบขนส่งเหล่านี้ใหม่นั้นไม่ยากอย่างที่คิดไว้ก่อนหน้านี้

ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าเอนโดซิมเบียนต์รวมเข้ากับโฮสต์ของพวกเขาอย่างไรและแนะนําว่าการถ่ายโอนยีนแนวนอนจากแหล่งต่าง ๆ อาจพบได้บ่อยในช่วงต้นของวิวัฒนาการของยูคาริโอตเช่นกัน “มันไม่ได้แสดงให้เห็นว่านั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้นในการก่อตัวของไมโตคอนเดรีย แต่มันแสดงให้เห็นว่ามันเป็นไปได้” McCutcheon

คนอื่นเห็นด้วย “มีหลักฐานที่ชัดเจนมากมายสําหรับการถ่ายโอนยีนแนวนอนในยูคาริโอต ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลที่จะบอกว่ามันไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในช่วงเวลานั้นของการเปลี่ยนโปรคาริโอต-ยูคาริโอต ในความเป็นจริงมันเกือบจะเกิดขึ้นอย่างแน่นอน” โรเจอร์กล่าว

เลือกซื้อยีน

ความหมายก็คือโฮสต์โบราณอาจค่อยๆได้รับลักษณะยูคาริโอตทีละอย่างเช่นนักช้อปที่วางสิ่งของไว้ในถุงช้อปปิ้งผ่านการถ่ายโอนยีนในแนวนอนหรือโดยการกลืนชุดเอนโดซิมเบียนต์จอห์นอาร์ชิบัลด์นักจีโนมเปรียบเทียบ  ที่มหาวิทยาลัยดัลเฮาซีอธิบาย ยีนที่ได้มาใหม่บางตัวอาจมีประโยชน์ต่อโฮสต์เนื่องจากมันพัฒนาเครื่องจักรที่เหลือที่พบในเซลล์ยูคาริโอตสมัยใหม่

ถ้าเป็นเช่นนั้นเมื่อถึงเวลาที่โฮสต์โบราณกลืนสารตั้งต้นของไมโตคอนเดรียมันจะมีคุณสมบัติยูคาริโอตมากมายแล้วบางทีอาจรวมถึงออร์แกเนลล์บางส่วนช่องภายในที่ล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งหมายความว่าไมโตคอนเดรียจะไม่ใช่ตัวขับเคลื่อนหลักของวิวัฒนาการยูคาริโอต แต่เป็นการเพิ่มในภายหลัง

แต่แม้จะมีหลักฐานทั้งหมดที่สนับสนุนสมมติฐานแบบค่อยเป็นค่อยไปสําหรับวิวัฒนาการของยูคาริโอต แต่ก็มีเหตุผลบางประการที่สงสัย ประการแรกคือ endosymbioses ล่าสุดเหล่านี้อาจไม่บอกอะไรเรามากนักเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นในช่วงต้นกําเนิดของยูคาริโอต – หลังจากทั้งหมดในกรณีต่อมาเซลล์โฮสต์ที่ทันสมัยเหล่านี้เป็นยูคาริโอตแล้ว

“ตัวอย่างเหล่านี้บอกเราว่ามันง่ายแค่ไหนเมื่อคุณมีเซลล์ยูคาริโอตเพื่อสร้างเอนโดซิมบิโอสภายในเซลล์” บิล มาร์ติน นักชีววิทยาวิวัฒนาการที่ศึกษาต้นกําเนิดของยูคาริโอตที่มหาวิทยาลัยดึสเซลดอร์ฟกล่าว แต่ยูคาริโอตมีเครื่องจักรภายในเซลล์ทั้งหมดที่จําเป็นในการกลืนเซลล์อื่นอยู่แล้ว ไม่ชัดเจนเลยว่าโปรโตยูคาริโอตบรรพบุรุษมีความสามารถนั้น มาร์ตินกล่าว — ซึ่งจะทําให้อุปสรรคต่อ endosymbiosis แรกนั้นสูงขึ้นมาก สําหรับเขาแล้วเขาโต้แย้งกับวิวัฒนาการอย่างค่อยเป็นค่อยไปของเซลล์ยูคาริโอต Joker game

Credit: Ufabet