Den traditionella grupperingen av livsformer i prokaryoter och eukaryoter reviderades 1977 när rRNA-sekvenskarakterisering avslöjade att archaea (som då kallades 'archaebacteria') är ''lika avlägset släkt med bakterier som bakterier är till eukaryoter.'' Detta nödvändiggjorde gruppering av levande organismer. till eubakterier (som omfattar alla typiska bakterier), arkéer och eukaryoter. Frågan om eukaryoternas ursprung kvarstod. I sinom tid började bevis byggas till förmån för eukaryoters arkeala härkomst. Av särskilt intresse var upptäckten att Asgard archaea har flera hundra gener för eukaryota signaturproteiner (ESP) i sitt genom. ESP spelar en avgörande roll i utvecklingen av cytoskelett och komplexa cellulära strukturer egenskaper hos eukaryoter. I en genombrottsstudie publicerad den 21 december 2022 har forskare rapporterat framgångsrik odling av en berikad kultur av svårfångade Asgard archaea som de avbildade med hjälp av kryo-elektrontomografi. De observerade att Asgard-celler verkligen hade ett komplext aktinbaserat cytoskelett. Detta var det första direkta visuella beviset på eukaryoters arkeala härkomst, ett viktigt steg i förståelsen av eukaryoternas ursprung.
Fram till 1977 var livsformerna på jorden grupperade i eukaryoter (komplexa former som kännetecknas av inkludering av genetiskt material i cellen i en väldefinierad kärna och närvaron av cytoskelett) och prokaryoter (enklare livsformer med genetiskt material i cytoplasman utan en specificerad kärna, inklusive bakterier och arkebakterier). Man trodde att cellulär eukaryoter utvecklades för cirka 2 miljarder år sedan, troligen från prokaryoterna. Men exakt hur uppstod eukaryoterna? Hur är de komplexa cellulära livsformerna kopplade till de enklare cellulära livsformerna? Detta var en stor öppen fråga inom biologi.
Teknologiska framsteg inom molekylärbiologin av gen och protein hjälpte till att fördjupa sig i kärnan av frågan när archaea (som då kallades "archaebacteria") 1977 visade sig vara ''lika långt släkt med bakterier som bakterier är till eukaryoter. '' Den tidigare distinktionen av livsformer i prokaryoter och eukaryoter baserades på fenotypiska skillnader på nivån av cellorganeller. Det fylogenetiska förhållandet bör istället baseras på en brett spridd molekyl. Ribosomalt RNA (rRNA) är en sådan biomolekyl som finns i alla självreplikerande system och vars sekvenser förändras väldigt lite med tiden. Analys baserad på rRNA-sekvenskarakterisering nödvändiggjorde gruppering av levande organismer i eubakterier (som omfattar alla typiska bakterier), arkéeroch eukaryoter1.
Därefter börjar bevis på närmare släktskap mellan arkéer och eukaryoter dyka upp. År 1983 fann man att DNA-beroende RNA-polymeraser av archaea och eukaryoter är av samma typ; båda uppvisar slående lika immunokemiska egenskaper och båda härrör från en gemensam förfädersstruktur2. Baserat på ett sammansatt fylogenetiskt träd av ett proteinpar, avslöjade en annan studie publicerad 1989 en närmare relation mellan arkéer och eukaryoter än till eubakterier3. Vid den här tiden, det arkeala ursprunget till eukaryoter etablerades men exakta arkeala arter återstod att identifiera och studera.
Tillväxt i genomiska studier efter framgång i genomprojekt, som gav en välbehövlig fillip till detta område. Mellan 2015-2020 fann flera studier att Asgard arkéer bära eukaryota specifika gener. Deras genom är berikat för proteiner som anses vara specifika för eukaryoter. Dessa studier identifierade tydligt att Asgard archaea har den närmaste genetiska närheten till eukaryoten på grund av närvaron av hundratals gener för eukaryota signaturproteiner (ESPs) i deras genom.
Nästa steg var att fysiskt visualisera den interna källarstrukturen av Asgard archaea för att bekräfta rollen av ESPs som allmänt hävdas att ESPs spelar nyckelroll i bildandet av komplexa cellulära strukturer. För detta behövdes mycket berikade kulturer av denna arkea, men Asgard är känt för att vara svårfångad och mystisk. orsakar svårigheter att odla i tillräckligt stor mängd för att studera dem i ett laboratorium. Enligt en studie som nyligen rapporterades den 21 december 2022 är denna svårighet nu övervunnen.
Forskarna har, efter sex års hårt arbete, improviserat tekniker och har framgångsrikt odlat i laboratorier, en mycket berikad kultur av "Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', en medlem av Asgard phylum. Detta var en anmärkningsvärd prestation, även för att detta gjorde det möjligt för forskare att visualisera och studera Asgards inre cellulära strukturer.
Kryoelektrontomografi användes för att avbilda anrikningskulturen. Asgard-cellerna hade coccoid-cellkroppar och ett nätverk av grenade utsprång. Cellytstrukturen var komplex. Cytoskelett sträckte sig genom cellkropparna. De tvinnade dubbelsträngade filamenten innefattar Lokiactin (dvs. aktinhomologer kodade av Lokiarchaeota). Således hade Asgard-celler ett komplext aktinbaserat cytoskelett, som forskarna föreslår, före utvecklingen av den första eukaryoter.
Som det första konkreta fysiska/visuella beviset på eukaryoters arkeala härkomst är detta ett anmärkningsvärt framsteg inom biologin.
***
Referenser:
- Woese CR och Fox GE, 1977. Fylogenetisk struktur av den prokaryota domänen: De primära kungadömena. Publicerad november 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088
- Huet, J., et al, 1983. Arkebakterier och eukaryoter har DNA-beroende RNA-polymeraser av en vanlig typ. EMBO J. 2, 1291-1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x
- Iwabe, N., et al, 1989. Evolutionärt förhållande mellan arkebakterier, eubakterier och eukaryoter härledd från fylogenetiska träd av duplicerade gener. Proc. Natl Acad. Sci. USA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355
- Rodrigues-Oliveira, T., et al,. 2022. Aktincytoskelett och komplex cellarkitektur i en Asgard-arkeon. Publicerad: 21 december 2022. Nature (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y
***
