Информация

Защо преводът е толкова по-бърз при прокариотите, отколкото при еукариотите?

Защо преводът е толкова по-бърз при прокариотите, отколкото при еукариотите?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Прокариотите извършват транскрипция и транслация много по-бързо от еукариотите. Ако паметта не ме лъже, една 70S прокариотна рибозома може да включва около 20 аминокиселини в секунда, докато 80S еукариотният аналог е много по-бавен, с около 2 аминокиселини в секунда. Известна ли е причината за това? Единствената възможност, за която се сещам, е, че прокариотните иРНК често са полицистронни, докато еукариотните иРНК не са и са склонни да включват ко-транслационно нагъване на протеини. По-бавният превод може да подобри точността на сгъване. Освен това, не се сещам за причина 80S рибозомата да е физически по-бавна от рибозомата 70S. Не е като репликацията на ДНК, където точността е изключително по-важна в многоклетъчните организми, отколкото при бързо репликиращите се едноклетъчни прокариоти.


Освен ако плакатът не може да цитира по-нови статии в подкрепа на твърдението относно разликата в скоростта на синтеза на прокариотния и еукариотния протеин, бих казал, че това е неправилно.

Lacroute и Stent (1968) съобщават за честота на 15 аминокиселини в секунда за β-галактозидаза в Ешерихия коли, докато Knopf и Lamfrom (1965) съобщават за процент на 7 аминокиселини в секунда за глобинови вериги в заешки ретикулоцити. Това не ми се струва много по-различно, особено като едно скорошно проучване на Li et al. (2014) показват, че скоростта на протеинов синтез варира в зависимост от сложността на сглобката (ако има такава), в която е включен протеин.


Основите: ин витро превод

В инвитро синтезът на протеини в безклетъчни екстракти е важен инструмент за молекулярните биолози и има различни приложения, включително бързо идентифициране на генни продукти (напр. протеомика), локализиране на мутации чрез синтез на съкратени генни продукти, изследвания за сгъване на протеини и включване на модифицирани или неестествени аминокиселини за функционални изследвания. Използването на системи за превод in vitro може да има предимства пред in vivo генна експресия, когато свръхекспресираният продукт е токсичен за клетката гостоприемник, когато продуктът е неразтворим или образува включващи тела, или когато протеинът претърпява бързо протеолитично разграждане от вътреклетъчни протеази. По принцип трябва да е възможно да се приготви безклетъчен екстракт за инвитро транслация на иРНК от всякакъв тип клетки. На практика са разработени само няколко безклетъчни системи за инвитро протеинов синтез. Като цяло тези системи са получени от клетки, ангажирани с висока скорост на протеинов синтез. Тази статия ще обясни различни подходи към синтеза на протеин in vitro (превод на пречистена РНК срещу "свързана" и "свързана" транскрипция: транслация) и също така ще опише основните разлики между еукариотни и прокариотни безклетъчни системи.


МЕХАНИЗЪМ НА ИНИЦИАЦИЯ НА ПРЕВОДА

Подготовка на пул от малки рибозомни субединици, върху които да се изгради инициационният комплекс

Свързване на инициаторната tRNA (Met-tRNAи) 1 1 Използваните съкращения са: tRNAи, инициаторна tRNA eIF, еукариотен иницииращ фактор mRNP, информационна РНК·протеинова частица 4E-BP, eIF4E свързващ протеин IRES, вътрешен рибозомен входен сайт ORF, отворена рамка за четене. към субединица 40S

Свързване на иРНК към 40S субединицата

Сканиране на иРНК за локализиране на иницииращата AUG кодова дума

Субединицата се свързва, за да образува инициационния комплекс 80S

Рециклиране на eIF2·GDP в eIF2·GTP.

Всяка от тези стъпки е описана по-подробно в следващите параграфи.

При нормални физиологични условия двете субединици на рибозомата (наричани обикновено като голяма и малка субединици или по техния физически размер, измерен чрез седиментация, съответно 60S и 40S) са склонни да останат свързани като неактивна рибозома (80S), въпреки че равновесието позволява малка част от субединиците да съществуват свободно (фиг. 1). Изграждането на пул от малки рибозомни субединици се постига чрез свързването на еукариотен иницииращ фактор (eIF)3, подпомагано от свързването на eIF1A. Тези свързващи събития изместват равновесната позиция надясно, в голяма степен, защото след като eIF3 се свърже с 40S субединицата, 60S субединицата не може да се свърже.

Втората стъпка е свързването на tRNAи (фиг. 2). В тази стъпка тРНКи е свързан с 40S субединицата като троен комплекс (eIF2·GTP·Met-tRNAи). Струва си да се спомене, че има два вида Met-tRNA: Met-tRNAи и Met-tRNAм. Процесът на иницииране е специфичен за Met-tRNAи и процесът на удължаване е специфичен за Met-tRNAм. Тъй като и двете Met-tRNA отговарят на кодовата дума AUG, това гарантира, че ще има независими групи от tRNA и за двата процеса. Второ, както за иницииране, така и за удължаване, аминоацил-тРНК се довеждат до рибозомата като тройни комплекси (фактор·GTP·аминоацил-тРНК). Свързването на тройния комплекс се осъществява поради специфични места на свързване в eIF2 както за 40S субединицата, така и за eIF3, който вече е на рибозомата.

Стъпка 3 е активирането на иРНК (фиг. 3). В повечето клетъчни системи иРНК съществуват като комплекси от РНК и протеин (mRNP) (рибонуклеарни протеинови частици). Процесът на активиране на иРНК изглежда изисква отстраняване на протеини от 5′ края на иРНК и отстраняване на всяка вторична структура. Това се постига чрез свързване на eIF4F към 5′ m 7 G-cap на иРНК (фиг. 3). eIF4F се състои от три субединици (eIF4E, eIF4A и eIF4G). Малката субединица, eIF4E, разпознава специално капачката m 7 G с много висок афинитет (Кд от приблизително 10 -8 до 10 -9 M). Това първоначално свързване позиционира eIF4F в 5′ края на иРНК и по този начин ориентира активността на неговата резидентна хеликаза, eIF4A, да използва енергията в АТФ за задвижване на развиването на вторичната структура на РНК и за принудително освобождаване на протеини от 5′ край на иРНК (фиг. 4) [1].

В следващата стъпка, свързването на eIF4F с иРНК насочва свързването на mRNA към 40S субединицата чрез взаимодействието на eIF4G с 40S-свързания eIF3 (фиг. 5). Това води до свързването на 5′ края на иРНК към 40S субединицата, но в този момент не е имало правилно съвпадение на антикодона на Met-tRNAи с иницииращия AUG кодон. Правилното съвпадение се постига чрез ATP-зависим процес, наречен сканиране [2]. Въпреки че подробностите тук са неясни, изглежда, че субединицата 40S се движи в посока 3′, тествайки всеки възможен кодон за съвпадение с антикодона на tRNAи. Генетичните изследвания на дрождите потвърдиха, че това е тРНКи антикодон, който разпознава иницииращия AUG, а не един от транслационните фактори (въпреки че транслационните фактори могат да повлияят на точността на този процес) [3-6]. Това разпознаване на AUG кодона обяснява защо tRNAи трябва да се свърже преди иРНК. И, може би не толкова очевидно, това също обяснява защо местоположението на иницииращия AUG се описва просто като AUG кодон, най-близо до 5′ края на иРНК (или първия срещнат AUG).

След като се установи правилно съвпадение на tRNAи с иницииращия AUG кодон, основното оставащо събитие е премахването на транслационните фактори от повърхността на 40S субединицата. Това се постига чрез действията на eIF5 и eIF5B, които са свързани с две събития на хидролиза на GTP: хидролиза на GTP в тройния комплекс и второ събитие на хидролиза от eIF5B (фиг. 6) [7-10]. Тези две събития са достатъчни, за да освободят другите фактори за иницииране на транслация от субединицата 40S и да позволят присъединяването на субединицата 60S. Това дава 80S рибозома, способна да започне многото етапи на удължаване в биосинтеза на протеин.

Въпреки че изглежда, че това ще завърши пътя на инициацията, все още има една последна стъпка. Хидролизата на GTP в тройния комплекс води до освобождаване на eIF2·GDP от 40S субединицата. eIF2 прилича много на „класическите“ G протеини по това, че свързва GDP на продукта приблизително 100 пъти по-здраво от субстратния GTP (относително Кд стойности съответно 10 −8 и 10 −6 M ). За да се постигне освобождаване на GDP и повторно свързване на GTP, протеинът за рециклиране на нуклеотиди eIF2B катализира обмяната на eIF2 свързан GDP за GTP.


Ендосимбиотични теории за произхода на еукариотите

Повече от 100 години ендосимбиотичните теории фигурират в мислите за разликите между прокариотните и еукариотните клетки. Повече от 20 различни версии на ендосимбиотичната теория са представени в литературата, за да се обясни произходът на еукариотите и техните митохондрии. Много малко от тези модели представляват еукариотни анаероби. Ролята на енергията и енергийните ограничения, които прокариотната клетъчна организация поставя върху еволюционните иновации в клетъчната история, наскоро се оказаха в сила върху ендосимбиотичната теория. Само клетките, които притежават митохондрии, имат биоенергийните средства за постигане на сложност на еукариотната клетка, поради което няма истински междинни продукти в прехода от прокариот към еукариот. Текущите версии на ендосимбиотичната теория казват, че гостоприемникът е бил археон (архебактерия), а не еукариот. Следователно еволюционната история и биологията на археите все повече засягат еукариотния произход, повече от всякога. Тук съставихме преглед на ендосимбиотичните теории за произхода на еукариотите и митохондриите и за произхода на еукариотното ядро, като обобщаваме съществените неща на всяка и противопоставяме някои от техните прогнози с наблюденията. Нов аспект на ендосимбиозата в еволюцията на еукариотите идва във фокуса от тези съображения: гостоприемникът за произхода на пластидите е факултативен анаероб.

1. Въведение

Ранната еволюция е важна част от историята на живота и произходът на еукариотите със сигурност е една от най-важните теми на ранната еволюция, както свидетелства колекцията от статии в този специален брой. Има различни гледни точки, от които може да се разглежда произходът на еукариотите, включително палеонтологични доказателства [1], енергетика [2], произход на специфични за еукариотите черти [3,4] или връзките на различните еукариотни групи една с друга [5] . Тази статия ще разгледа произхода на еукариотите от гледна точка на ендосимбиотичната теория и как различните версии на ендосимбиотичната теория са склонни да се съпоставят с данните, които имаме за еукариотните анаероби и по отношение на данните от генната филогения. Ендосимбиотичната теория има дълга и богата на събития история, виртуозно обобщена в книгата на Арчибалд [6], и като говорим за история, тук е добро място да разсеем един мит – за Алтман.

Понякога може да се прочете (въпреки че учтиво няма да предоставим примери), че на Алтман [7] трябва да се приписва идеята за симбиотичната теория за произхода на митохондриите, но това е неправилно. Тези от нас, които могат да четат немски и които имат копие от книгата на Алтман от 1890 г., могат да свидетелстват: в книгата от 1890 г. Алтман не се интересуваше от митохондриите и не предлага техния симбиотичен произход. Той не спомена нито митохондриите (нито по-старото им име, хондриозоми), нито ендосимбиозата в книгата си за „биобластите“. Според Алтман всичко в еукариотните клетки се състои от биобласти, включително цитозола, ядрото и хромозомите. Неговите биобласти съответстват на състояние на химична организация на материята, което е по-голямо от молекулата, но по-малко от клетката „най-малката морфологична единица от организиран материал“ („die kleinste morphologische Einheit der organisirten Materie') [8 стр. 258]. Те може би отговарят по размер приблизително на това, което днес наричаме макромолекулни комплекси, които обаче не могат да се видят в светлинните микроскопи от времето на Алтман. Той също така разграничава автобласти, цитобласти, кариобласти и соматобласти, които се споменават много по-рядко от биобластите. Научен трактат на Алтман в контекста на симбиотичната теория и защо не може да се приписва, че е предложил ендосимбиотична теория, може да се намери в Höxtermann & Mollenhauer [8].

Концепцията за симбиоза (на латински, „живеят заедно“), че два различни организма могат стабилно да съществуват съвместно и дори да доведат до нов тип организъм, следи от Симон Швенденер [9], швейцарски ботаник, който открива, че лишеите се състоят от гъбички и фотосинтезатор. Германският ботаник Хайнрих Антон де Бари (1878) въвежда термина „Симбиоза“, за да обозначи този тип съвместно съществуване [10]. Шимпер [11] понякога се приписва на откриването на ендосимбиотичната теория, но неговият трактат по темата се съдържа изцяло в бележка под линия, която се превежда така: „Ако може да се потвърди категорично, че пластидите не възникват de novo в яйцеклетките, Връзката между пластидите и организмите, в които се съдържат, би напомняла донякъде симбиоза. Зелените растения всъщност могат да дължат произхода си на обединяването на безцветен организъм с един равномерно оцветен с хлорофил“ [11, с. 112–113]. Това беше всичко, което той написа за възможността за симбиотичен произход на пластидите. Изречението непосредствено след това в известната бележка под линия на Шимпер обаче също е важно, както ще видим в един по-късен пасаж за Портие и симбиотичния произход на митохондриите, то се превежда така: „Според Райнке (Allg. Botanik, стр. 62 ) хлорофилните тела [Chlorophyllkörner, друго име за пластиди по времето на Шимпер] може дори да имат способността да живеят независимо, той наблюдава този феномен, както ми беше съобщено и публикувано с любезно разрешение, в гниеща тиква, чиито хлоропластиди бяха заобиколени от Pleosporahyphae, продължават да вегетират в мъртви клетки и се размножават чрез делене“ [11, с. 113]. Ясно е, че Райнке наблюдаваше разпространението на замърсяващи бактерии, а не на свободно живеещи органели.

Шимпер [11,12] обаче защити случая, че пластидите се размножават чрез делене. Това беше важно за руския биолог Константин Мерешковски, който вероятно представи първия задълбочено аргументиран случай, че някои клетки са възникнали чрез вътреклетъчния съюз на два различни вида клетки (ендозимбиоза), в своята статия от 1905 г. [13], която е преведена на английски [ 14]. Mereschkowsky [13] каза три неща: (i) пластидите са безспорно намалени цианобактерии, които в началото на еволюцията са влезли в симбиоза с хетеротрофен гостоприемник, (ii) гостоприемникът, който е придобил пластиди, е сам по себе си продукт на по-ранна симбиоза между по-голям, хетеротрофен , амебоидна клетка гостоприемник и по-малък „микрококов“ ендосимбионт, който е довел до ядрото, и (iii) автотрофията на растенията е наследство, в общото, от цианобактерии [13].

Схемата на Mereschkowsky е по-подробно разработена, но основно непроменена в неговата серия от 1910 г. [15]: имаше два вида гъби, тези, които са развили ядро ​​без ендосимбиоза и тези, които някога са притежавали пластиди, но са станали вторично нефотосинтетични, днес ги наричаме оомицети и все още няма консенсус по въпроса дали някога са имали пластиди или не. Клоните в дървото на Mereschkowsky понякога се обединяват чрез ендосимбиоза, за да произведат фундаментално и радикално нови видове организми (например растения) [15,16]. По-модерна версия на симбиозата в клетъчната еволюция би трябвало да включва симбиотичния произход на митохондриите, археите и концепцията за вторична ендосимбиоза. Ендосимбиотичните теории твърдят, че клетките се обединяват, една в друга, по време на еволюцията, за да дадат началото на нови линии на най-високите таксономични нива чрез комбинация. Това не е видът еволюция, която Дарвин е имал предвид, неговата гледна точка за еволюцията е била постепенност.

Много биолози все още имат проблем с понятието ендосимбиоза и следователно предпочитат да представят произхода на еукариотите като продукт на генно дублиране, точкова мутация и микромутационни процеси [17]. Доклад от 2007 г. на покойния Кристиан дьо Дюв [18] сега често се приема за флагче на теориите за микромутации за еукариотния произход, но де Дюв, подобно на покойния Лин Маргулис [19], винаги категорично отхвърля доказателствата, че митохондриите и хидрогенозомите са анаеробни форми на митохондриите [20,21] – споделят общ прародител. Никоя анаеробна форма на митохондрии никога не се вписва в класическата ендосимбиотична теория. Това е така, защото класическата (версията на Маргулис) ендосимбиотичната теория [19] се основава на предпоставката, че ползата от ендосимбиотичния произход на митохондриите се основава на използването на кислород, докато версиите на дьо Дюв отиват една крачка по-далеч и предполагат, че дори ендосимбиотичният произход на пероксизомите се основават в използването на кислород [18]. Анаеробните митохондрии никога не бяха споменати и хидрогенозомите, ако бяха споменати, бяха обяснени като не митохондрии [18,19]. Прекалено акцентирането на кислорода в ендосимбиотичната теория и как фокусът върху кислорода доведе до голямо объркване по отношение на филогенетичното разпределение и еволюционното значение на анаеробните форми на митохондриите е разгледано другаде [22–24].

Има една алтернатива на класическата ендосимбиотична теория, която взема под внимание анаеробните митохондрии и хидрогенозомите, водородната хипотеза [25], която предвижда (i) всички еукариоти да притежават митохондрии или да са ги загубили вторично, (ii) че гостоприемникът на митохондриалния произход е археон, еукариотното състояние е възникнало в резултат на митохондриалния произход и (iii) че аеробните и анаеробните форми трябва да се преплитат на еукариотното дърво. Макар и радикално по това време, прогнозата (i) се потвърди [26–29], както и прогнозата (ii) [30–32], както и (iii) [21,33]. Освен това, едва наскоро беше признато, че изобретяването на еукариотни специфични черти изисква повече метаболитна енергия на ген, отколкото прокариотите имат на свое разположение, и че митохондриите осигуряват на еукариотните клетки с порядък увеличение на количеството енергия на ген, което ( накрая) обяснява защо произходът на еукариотите съответства на произхода на митохондриите [2,34]. Но има нещо повече за произхода на еукариотите от само три предсказания и енергия. Трябва да се занимаваме с произхода на ядрото [35] и ролята, която генните филогении играят в проблемите. В допълнение, има пълен набор от знаци, които различават еукариотите от прокариотите, които трябва да се вземат предвид (мейоза, митоза, клетъчен цикъл, мембранен трафик, ендоплазмен ретикулум (ER), Голджи, флагела и всички други специфични за еукариотите атрибути, включително пълно издухан цитоскелет – не просто пръскане на прокариотни хомолози за цитоскелетните протеини [31]), но тук фокусът ни е върху ендосимбиотичните теории, а не върху автогенния произход на споделените от предците еукариотни знаци, чийто произход по енергийни причини идва след митохондриалния произход [ 34].

2. Генни дървета, не толкова просто, колкото звучи

За да получим по-пълна представа за произхода на еукариотите, трябва да включим в картината страничен генен трансфер (LGT) между прокариотите, ендосимбиоза и генен трансфер от органели към ядрото. Това не е толкова просто, колкото може да изглежда, защото стана очевидно, че отделните гени имат индивидуална и различна история. По този начин, за да получим голямата картина, ще трябва да интегрираме всички отделни генни дървета в една обобщена диаграма по такъв начин, че да вземем еволюционните афинитети на пластида (цианобактерия), митохондриона (протеобактерия) и гостоприемника (археон) под внимание. Все още никой не е направил това, въпреки че има опити в тази посока [36]. През 2015 г. нашата типична картина на еукариотния произход включва или филогенетично дърво, базирано на един ген, или, по-често сега, конкатениран анализ на малка извадка от гени (да речем 30 или около това от всеки геном), което генерира дърво, надеждата тъй като така полученото дърво ще бъде представително за генома като цяло и по този начин ще има някакъв предсказващ характер за това, което бихме могли да наблюдаваме във филогении отвъд 30-те или повече гена, използвани за направата на дървото. Около 30-те гена, които обикновено се използват за такива конкатенирани филогении, са предимно рибозомни протеини или други протеини, участващи в обработката на информация, гени, които Джим Лейк нарече информационни гени през 1998 г. [37].

Но поради ролята на ендосимбиозата в еволюцията на еукариотните клетки, еукариотите са склонни да имат два еволюционно различни набора рибозоми (археални рибозоми в цитозола и бактериални рибозоми в митохондриона) или понякога три (допълнителен бактериален набор в пластида [38] ) и в редки случаи четири комплекта активни рибозоми (още още един набор във водорасли, които притежават нуклеоморфи) [39]. Подходът на „основния набор от гени“, във всичките му проявления досега, питаше само цитозолните рибозоми за еукариоти и по този начин разглеждаше само археалния компонент на историята на еукариотните клетки. Някои от нас са се притеснявали, че като гледаме само гени, които отразяват археалния компонент на еукариотните клетки, може да пропуснем много, тъй като рано беше очевидно, че много гени в еукариотите не произлизат от археи, а от бактерии и, най-разумно според ендосимбиотичната теория, от органели [40,41].

Едно ранно проучване, разглеждащо филогенезата на основния генен набор, който до голяма степен, но не напълно съответства на рибозомния протеинов супероперон на прокариотите, стигна до заключението, че информацията, съдържаща се в подравняването, е проблематична поради ниското количество на запазване на последователността, участващо в много от сайтовете [42]. Бяха изразени и опасения, че 30-те гена от набора, ако бъдат анализирани поотделно, може да нямат същата история и че конкатенацията може да бъде проблем [43], но това не попречи на биоинформатиците [44] да преоткрият същия набор от 30 или така гени и създаване на дърво, което изглеждаше забележително подобно на rRNA дървото в повечето важни аспекти, по-специално по отношение на позицията на еукариотите. По това време беше доста добре известно, че гените с археален произход в еукариотите не са представителни за геномите като цяло, те съставляват малцинство от генома и са значително превъзхождани от гените от бактериален произход [45]. Въпреки това, вниманието по въпроса за произхода на еукариотите, с малки изключения [46–48], остава фокусирано върху археалния компонент и вероятно ще остане такъв, докато не дойдат подобрени методи за обобщаване на информацията, съдържаща се в хиляди дървета. предната част.

Винаги критични към клоните в дърветата, които филогенетичните методи произвеждат [49], Ембли и колегите разгледаха запазения набор от ядро ​​с по-претенциозни филогенетични методи [30,50,51] и откриха, че археалният компонент на еукариотите се разклонява в археите. Тези нови дървета са склонни да групират еукариотите с кренархеотите, по-специално със суперфилума TACK на археите [31], като в същото време се стремят да локализират корена на археите сред еуриархеотите, понякога сред метаногените [52].

Сега е подходящ момент да разгледаме ендосимбиотичните теории и свързаните с тях идеи за произхода на еукариотите, тяхното ядро ​​и митохондриите. Правейки това, ние се възползваме от нашите по-ранни прегледи по темата [22,53], чиито фигури станаха популярни [31]. В следващия раздел обобщаваме какво казват различните модели, като се започне с модели за произхода на ядрото и след това преминаваме към модели за произхода на хлоропластите и митохондриите.

3. Ядрото

Ядрото е определяща характеристика на еукариотите [54]. Теориите за еволюцията на ядрото обикновено се основават (i) на инвагинации на плазмената мембрана в прокариот или (ii) на ендосимбиоза на археон в еубактериален гостоприемник или (iii) на автогенен произход на нова мембранна система, включително ядрена обвивка в множество от археен произход след придобиване на митохондрии. Ендосимбиотичната теория за произхода на ядрото започва с Мерешковски [13]. Той постулира, че ядрото еволюира от прокариот (микоплазма), който е погълнат от амебоидна клетка, хомоложна на еукариотния цитозол (фигура 1а [15]).

Фигура 1. Модели, описващи произхода на ядрото в еукариотите. (ао) Схема на различни модели, отчитащи произхода на ядрото. Археалните клетки/мембрани са представени с червено, докато синьото показва еубактериални клетки/мембрани. Черните мембрани се използват, когато филогенетичната идентичност на клетката не е ясна или не е посочена. Вижте също [22,53].

Cavalier-Smith твърди, че ядрените и ER мембраните произлизат от инвагинации на плазмената мембрана на прокариотна клетка (фигура 1б [55–58]). Той предполага, че прокариотът първоначално е загубил клетъчната си стена и по този начин е придобил способността да фагоцитира хранителни частици. Рибозомите, основно прикрепени към плазмената мембрана, се интернализират, но все още са прикрепени към мембраната, което води първо до грубата ER и от нея до ядрената обвивка. Gould & Dring [59] представиха различен модел през 1979 г., където описват, че образуването на ендоспори от Грам-положителни бактерии води до произхода на ядрото. Протопластът на единична клетка се дели по време на образуването на ендоспори по такъв начин, че клетката поглъща част от собствената си цитоплазма, която след това става заобиколена от двойна мембрана, което води до ядрото на клетката (фигура 1° С [59]). През 90-те години на миналия век бяха публикувани няколко модела за произхода на ядрото чрез ендосимбиоза (наричани понякога ендокариотни теории), но само няколко се позовават на първоначалното предложение на Mereschkowsky. Общото между тях е, че предвиждат еубактериален гостоприемник, който е погълнал архебактериален ендосимбионт, който е претърпял трансформация в ядрото (фигура 1д [60,61]). Fuerst & amp Webb [62] наблюдават, че ДНК в сладководни пъпки еубактерии Gemmata obscuriglobus (член на Planctomyces-Pirella група) изглежда е заобиколена от нагъната мембрана, чиято организация се смята, че наподобява ядрото (фигура 1д [62]). По-късните документи бяха по-малко предпазливи и нарекоха тази структура ядро ​​[63] последваща работа върху Gemmata показа, че вътрешната мембрана е просто инвагинация на плазмената мембрана [64], както беше посочено по-рано [53]. Searcy & amp Hixon [65] интерпретираха термофилни ацидофилни сяра-метаболизиращи архебактерии без твърда клетъчна стена, но имащи добре развит цитоскелет като първичен етап за еволюцията на еукариотните клетки (фигура 1е [65]).

Lake & Rivera [66] предложи ендосимбиоза, при която бактерия погълна археон (кренархеон) за произхода на еукариотите (фигура 1ж). Предложен е везикуларен модел за произхода на ядрото в клетка, която има митохондриален ендосимбионт (фигура 1з [40]). Той посочва роля за трансфера на гени и произхода на бактериалните липиди в произхода на еукариотната ендомембранна система, а в последваща формулировка [35] посочва причинно-следствена връзка между произхода на сплайзозоми и произхода на ядро-цитозолна компартментация (това аспектът е разгледан по-подробно в следващ раздел). Морейра и Лопес-Гарсия [67,68] модифицират ендокариотния модел, позовавайки се на принципа на анаеробната синтрофия (H2-зависимост) за произхода на ядрото. Те постулират сливане на плазмени мембрани в агломерация от δ-протеобактерии, улавящи метаногенна архебактерия, която еволюира до ядрото (фигура 1и [67,68]). Видът на сливане на плазмените мембрани между свободно живеещите клетки, който Moreira & Lopez-Garcia [67,68] предвиждат, не е наблюдаван за бактерии, но е известно, че се среща сред археите [69]. Лин Маргулис представи друга симбиогенна теория за произхода на ядрото. Тя предложи симбиоза между спирохета и архебактерия без клетъчна стена (най-вероятно Термоплазма-както според нея), което води както до еукариотния флагел, така и до ядрото (фигура 1j [19,70]). Вирусният произход на ядрото, включващо поксвируси, беше предложено през 2001 г. от Бел в контекста на синтрофни консорциуми, включващи метаногени (фигура 1к [71]). Horiike постулира модел, в който ядрото се появява от археален ендосимбионт (Пирокок-like), който е погълнат от a γ-протеобактерия (фигура 1л [72]). Произходът на еукариотите (следователно имплицитно или изрично тяхното ядро) преди прокариотите също е многократно предлаган (фигура 1м [73–75]). Пени твърди, че прокариотите, които той и Фортер [73] понякога наричат ​​„акариоти“ [75], са възникнали от този предшественик на еукариот чрез хипотезата за терморедукция на Фортер – преход към прокариотно състояние от еукариотен предшественик в отговор на по-високи температури.

Съвсем наскоро общността от учени, които се интересуват от еволюцията на цитоскелета, възобновиха - в непроменена форма - хипотезата на Кавалер-Смит за автогенен (несимбиотичен) произход на фагоцитиращия амитохондриатен еукариот (архезоон) чрез точкови мутационни промени, водещи до промени в гостоприемника. изобщо не се нуждае от митохондрия, за да се наслади на своя фагоцитотичен начин на живот, но въпреки това придобива такъв (фигура 1н [76]).

Forterre [77] се отклони от терморедукцията и въведе нов вариант на ендокариотната хипотеза, която включва планктомицети (член на PVC групата: Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chlamydiae), участващи в произхода на еукариотите като бактериален гостоприемник за поглъщане на aumarchaeth ядрото, последвано от инвазии на ретровируси и нуклеоцитоплазмени големи ДНК вируси (NCLDV). В тази теория, хипотезата за сливане на PTV (за PVC–thaumarchaeon–virus), PVC бактерията осигурява универсални компоненти на еукариотните мембрани, необходими също за образуването на ядрото, а таумархеонът осигурява информационни и оперативни протеини и предшественици на съвременния еукариотен и цитоскелетон. система за трафик на везикули (фигура 1о [77]).

Проблем с всички модели, които предвиждат роля на планктомицетите в произхода на еукариотите, е, че няма молекулярно филогенетично доказателство, което да свързва каквато и да е линия на планктомицетите с еукариотите [78]. Проблемите с теориите, които извличат ядрото от ендосимбионт, са многобройни и са изброени подробно другаде [40] по същество, те не успяват да обяснят защо ядреният отдел е толкова фундаментално различен от всяка свободно живееща клетка от гледна точка на (i ) биосинтетична или АТФ-генерираща физиология (изцяло липсва в ядреното отделение), (ii) топология на мембраната (нито една свободно живееща клетка не е ограничена по подобен начин), (iii) пропускливост (нито един прокариотен цитозол не е в съседство с околната среда чрез пори) и (iv) делене (разтваряне на повърхностен хомолог на плазмената мембрана веднъж на клетъчно деление при еукариоти с отворена митоза). Ендосимбиотичните теории за пластидния и митохондриалния произход нямат тези проблеми. Проблем с хипотезата за терморедукция е, че тя не разглежда въпроса откъде идват еукариотите на първо място, а просто приема техния произход като даденост. Признаването, че общият предшественик на еукариотите е притежавал митохондрион [30,32,79], е сериозен проблем за хипотезите за терморедукция, тъй като еукариотът първо трябва да породи прокариот (митохондриален предшественик), който е необходим за собствения му произход, поредица от събития, която по номинална стойност изисква време, за да се върне назад. Хипотезите за терморедукция обикновено мълчат по отношение на произхода на митохондриите. Много малко модели за произхода на ядрото, вероятно само един, извличат ядрото в археален гостоприемник, който притежава митохондрия. Този модел предполага, че ядрената мембрана възниква от везикули на мембрани, състоящи се от бактериални липиди [40] и се позовава на необходимостта от отделяне на сплайсинга от транслацията като селективно налягане, което доведе до фиксиране на компартментацията в нуклеоплазма и цитоплазма [35].

Неотдавнашният фокус както върху еволюцията на цитоскелетните компоненти [76], и върху автогенния (несимбиотичен) произход на фагоцитиращия амитохондриатен еукариот сочи проблем, който трябва да се спомене. Тази теория, наричана някога хипотеза на архезоата [55,56], сега наричана понякога теория на фагоцитиращия археон [31], предвижда, че точковите постепенни промени водят до прокариотен гостоприемник, който може да извършва пълноценна еукариотична фагоцитоза (доста сложен процес). Тези теории твърдят, че фагоцитозата е ключовият фактор, който позволява ендосимбиотичния произход на митохондриите. Проблем, общ за тези теории, е, че фагоцитотният, примитивно амитохондритен еукариот изобщо не се нуждае от митохондрия и ако имаше някакво логично селективно предимство, тогава еукариотите трябваше да произлизат от прокариоти в множество линии независимо. Това винаги е бил един от най-слабите аспекти на автогенните теории, в допълнение към биоенергийните аспекти [34].

4. Произходът на митохондриите (и хлоропластите)

Ендосимбиотичната теория за произхода на хлоропластите и митохондриите започва отново с Mereschkowsky [13] и неговата идея за симбиоза между „хроматофори“ (пластиди) и хетеротрофна амебоидна клетка. Той противоречи на ортодоксалното мнение, че хроматофорите са автогенни органи на растителните клетки, които той ги вижда като симбионти, външни тела или организми, които влизат в плазмата на гостоприемника, установявайки симбиотична връзка. Самият гостоприемник за произхода на пластидите произлиза, според него, от по-ранна симбиоза между хетеротрофна, амебоидна клетка и „микрококов“ ендосимбионт, който е довел до ядрото (фигура 2а [13]). Сравнението на физиологичните и анатомичните характеристики на пластидите и цианобактериите, известни по това време, го довежда до сигурното заключение, че ендосимбионтите са „цианофицеи“ (цианобактерии), които са влезли в симбиоза с амебоидни или бичуковидни клетки няколко независими повода, което води до растително царство, няколко независими произхода. Тоест, той разглежда различните цветни пластиди на водораслите (червени, зелени, кафяви, златисти) като наследство от различни ендосимбионти, всеки от които има тези различни пигментации. Въпреки че той грешеше за това конкретно тълкуване — днес има широко съгласие, че пластидите на всички растения и водорасли имат един произход [80–82] — той беше прав с ендосимбиотичния, цианобактериален произход на пластидите.

Фигура 2. Модели, описващи произхода на митохондриите и/или хлоропластите в еукариотите. (аq) Схема на различни модели, отчитащи произхода на митохондриите и/или хлоропластите. Археалните клетки/мембрани са представени с червено, докато синьото показва еубактериални клетки/мембрани. Черните мембрани се използват, когато идентичността на клетката не е ясна, а зелената се използва за клетки/мембрани, получени от цианобактерии. Вижте също [22].

Мерешковски обаче не успява да разпознае ендосимбиотичния произход на митохондриите, въпреки че физиологичните свойства на клетките, които той обяснява с ендосимбиотичния произход на ядрото, са, от днешна гледна точка, свойства на митохондриите [15]. Както много четливо е обяснено от Арчибалд [6], Портие развива (на френски) идеята, че има тясна връзка между бактериите и митохондриите и че митохондриите участват в множество процеси в клетката. Но подобно на Шимпер в бележката си под линия относно пластидите, които преведохме по-горе, Портие предложи митохондриите да се култивират извън техните клетки-гостоприемници и това предизвика неумолими критики от неговите съвременници [6]. Ясно е, че както Райнке (както е цитирано в бележката под линия на Шимпер, която преведохме по-горе), така и Портие наблюдават разпространението на замърсяващи бактерии, а не на свободно живеещи органели. Wallin [83] доразви ендосимбиотичната теория за митохондриите на английски език. Той призна, че тези органели са потомци на ендосимбиотични бактерии, но остана много неясно каква е идеята му за гостоприемника (фигура 2б [83]). Подобно на Портие, той смяташе, че култивирането на митохондриите извън техния гостоприемник е възможно. Но той имаше предвид концепцията за пренос на гени от органели към ядро: „Изглежда обаче логично, че при определени обстоятелства […] бактериалните организми могат да развият абсолютна симбиоза с по-висш организъм и по някакъв начин да впечатлят нов характер върху факторите на наследствеността. Най-простият и най-лесно представим механизъм, чрез който се извършва промяната, би било добавянето на нови гени към хромозомите от бактериалния симбионт“ [84, p. 144].

В печат, клетъчните биолози отхвърлят ендосимбиотичната теория през 20-те години на миналия век и през 70-те години на миналия век. Няколко изтъкнати изказвания са (i) от Уилсън [85], който пише (стр. 738–739): „Мерешковски („10), в една забавна фантазия, е разработил хипотезата“ … „в по-нататъшни полети на въображението, което Мерешковски предлага“ , (ii) от Buchner [86] (стр. 79–80), който обсъжда ендосимбиотичната теория в глава, озаглавена „Irrwege der Symbioseforschung’ (превод: Изследванията на симбиозата се заблудиха) и (iii) от Ледерберг [87], който предположи (стр. 424): „Не бива да сме твърде категорични в заблуждаването на възможностите за сигурност. Може би лошата репутация, прикрепена към някои от идеите, представени в този преглед, произтича от некритичните им твърдения, като теорията на Famintzin-Merechowsky за филогенезата на хлоропластите от цианофити (28, 126) или идентичността на митохондриите със свободно живеещите бактерии (198)'.

Ендосимбиотичната теория беше повторно популяризирана през 1967 г. от Лин Сейгън (по-късно Маргулис) [88] и също спомената в много любопитен документ от Гьокшойр [89]. Доколкото можем да кажем, това бяха първоначалните предположения в ендосимбиотичната теория, че както хлоропластите, така и митохондриите произлизат от ендосимбионти, но от отделни ендосимбионти.Goksøyr предложи еволюционно развитие на митохондриите и по-късно, в независима симбиоза, хлоропласти от прокариотни форми чрез ценоцитна връзка, при която анаеробни прокариоти (най-вероятно от един вид) са били доведени в контакт без намеса в клетъчните стени (фигура 2° С [89]). ДНК на тези клетки се натрупва в центъра на агломерата, ядрена мембрана възниква от ендоплазмения ретикулум, създавайки анаеробна еукариотна клетка. Аеробните еукариоти проследяват до ендоклетъчна симбиотична връзка на анаеробни еукариоти с аеробни прокариоти, които се появяват с обогатяването с кислород в атмосферата. По-късната загуба на автономия от аеробния прокариот, за да стане митохондрия, дойде заедно с трансфера на ген към ядрото на гостоприемника. Поглъщането на примитивна цианобактерия, включващо отново трансфер на ген към ядрото, доведе до фотосинтетични еукариоти. Goksøyr предположи, че ценоцитните системи се появяват няколко пъти от различни прокариотни форми, което прави произхода на еукариотите немонофилетичен [89]. Документът на Гьокшойр съдържа само една препратка към статия от 1964 г. на Станиер и не се споменава по-старата симбиотична литература.

Лин Сейгън възобнови идеята за прокариотно потекло на митохондриите и хлоропластите и разшири идеята, за да включи спирохетния произход на флагела [88]. На втората страница на нейната статия от 1967 г., за която се съобщава, че е била отхвърлена от 15 различни списания [90], тя заявява „Въпреки че тези идеи не са нови…“, като се позовава на статията на Мерешковски от 1910 г. [15], въпреки че Мерешковски не се появява в библиографията на нейната книга от 1970 г. [91]. Тя предполага, че произходът на еукариотите от прокариоти е свързан с нарастващото производство на свободен кислород от фотосинтетичните прокариоти и нарастващия дял на кислорода в атмосферата. Нейният гостоприемник беше хетеротрофен анаеробен прокариот (може би подобен на микоплазма), в чиято цитоплазма е погълнат аеробен прокариотен микроб (прото-митохондрията), което води до еволюцията на аеробен амебоиден организъм, който по-късно придобива спирохета, което води до еукариотния флагел (фигура 2д [88] по-късните й версии промениха този ред на събития). Тя описва еволюцията на пластидите като няколко поглъщания на различни фотосинтетични прокариоти (протопластиди - еволюирали от прокариоти, консумиращи кислород, хомоложни на цианобактерии) от хетеротрофни протозои (фигура 2д [88]).

Противодействайки на Margulis, de Duve [92] очертава, че примитивният фагоцит, който симбиотично приема различни видове микроорганизми, е примитивен аероб, който остава зависим от дишането, медиирано от водороден пероксид по време на ранната си еволюция, установявайки се чрез загубата на клетъчната стена и еволюция на процесите на мембранна инвагинация (ендоцитоза) примитивен фагоцит с пероксизоми като основна (аеробна) дихателна органела. Този амитохондриат, носещ пероксизом организъм по-късно става гостоприемник на аеробна бактерия с окислително фосфорилиране, предшественик на митохондриите (фигура 2д [92]). Stanier предложи анаеробен, хетеротрофен гостоприемник в еволюцията на хлоропластите [93] и постави произхода на хлоропластите преди произхода на митохондриите, като твърди, че тъй като митохондриите използват кислород и тъй като произходът на еукариотите се е случил в анаеробни времена, трябва да е имало първо достатъчен и непрекъснат източник на кислород, преди митохондриите да успеят да се развият (фигура 2е [93]).

В началото на 70-те години на миналия век имаше значителна съпротива срещу концепцията за симбиоза в еволюцията на клетките. Raff & Mahler [94] представи алтернативен, несимбиотичен модел за произхода на митохондриите, като предложи, че протоеукариотът е напреднала, хетеротрофна, аеробна клетка с голям размер, която увеличава повърхността на дихателната мембрана, постигната чрез инвагинации на вътрешните клетъчна мембрана, която след това образува свързани с мембрана везикули, изпускащи се от дихателната мембрана, генерирайки затворени дихателни органели, придобиващи външна мембрана по-късно (компарментализация, фигура 2ж [94]). Bogorad [95] описва хипотеза за клъстерни клонинги за произхода на еукариотни клетки от неразделена единична клетка. Той предполага, че геномът на клетката се разделя на генни клъстери (представляващи нов геном), последвано от развитие на мембрана около всеки генен клъстер, за да се създаде една или повече ген-съдържащи структури, от които са се развили ядра, митохондрии и хлоропласти (фигура 2з [95]). Cavalier-Smith [96] обяснява произхода на хлоропластите и митохондриите чрез сливане и преструктуриране на тилакоиди в цианобактерия. Пластидите са резултат от преструктуриране на фотосинтетичните тилакоиди и митохондриите чрез преструктуриране на респираторните тилакоиди, съответно (фигура 2и [96]). Въпреки че молекулярните еволюционни изследвания поставят несимбиотичните модели за произхода на пластидите и митохондриите повече или по-малко извън бизнеса [97], скептицизмът по отношение на ендосимбиотичната теория има тенденция да се задълбочава. Андерсън et al. [98] в своята публикация за човешката митохондриална ДНК заключиха, че данните „затрудняват да се направят заключения за митохондриалната еволюция. Някаква форма на ендосимбиоза, включваща колонизиране на примитивна еукариотна клетка от дишащ бактериален организъм, е привлекателна хипотеза за обяснение на произхода на митохондриите. Въпреки това, ендосимбионтът може да е бил не по-тясно свързан с настоящите прокариоти, отколкото с еукариотите“ [98, p. 464].

През 1970-те и 1980-те години бяха разработени някои други модели за произхода на еукариотите, които не са представени на фигура 2. John & Whatley [99] представиха много изричен симбиотичен модел за произхода на митохондриите с анаеробни, ферментиращи, митохондриални липсва "прото-еукариот" като гостоприемник за свободно живееща аеробна дишаща бактерия (подобно на Paracoccus denitrificans), което води до митохондриите, където отново не се разглежда произходът на гостоприемника. Woese [100] признава, че архебактериите може да са свързани с линията на гостоприемника в ендосимбиотичната теория, но неговият модел за произход на митохондриите предполага митохондриален произход в началото на историята на Земята, когато атмосферата е анаеробна, че митохондриите могат да произлязат от първоначално фотосинтетичен органела, която придобива способността за кислородно дишане, след като е станала ендосимбионт [100].

През 1980 г. и ван Вален, и Майорана (фигура 2j [101]) и Дулитъл [102] поставят архебактериите в контекста на ендосимбиозата, предполагайки, че те са сестринските групи на гостоприемника, който е придобил митохондриона. Маргулис [103] коригира своята версия на ендосимбиотичната теория, за да приспособи съответно откритията на археите, но тя запази симбиотичния (спирохетен) произход на флагела.

Хипотезата на водорода поставя анаеробната синтрофия като екологичен контекст, свързващ симбиотичната асоциация на анаеробна, строго зависима от водород и автотрофна архебактерия като гостоприемник с факултативно анаеробна, хетеротрофна еубактерия като ендосимбионт (фигура 2к [25]). Това включва митохондрия на предците, която може да използва или своята електронна транспортна верига, или да използва смесена киселина (H2-продуциращи) ферментации, като по този начин той директно отчита общото потекло на митохондриите и хидрогенозомите, както и междинните форми между двете, анаеробните митохондрии [21]. Моделът на Vellai и Vida [104] оперира с прокариотен гостоприемник за произхода на митохондриите (фигура 2л), както и теорията за цикъла на сярата на Searcy (фигура 2м [105]), но нито един от тях не отчита хидрогенозоми или анаеробни митохондрии.

Лопес-Гарсия и Морейра [68] предложиха еволюционен сценарий за произхода на митохондриите, който също включва ендосимбиотичен произход на ядрото. Техният модел също е синтрофична симбиоза, медиирана от междувидов трансфер на водород между строг анаеробен, метаногенен археон, който се превърна в ядрото, и ферментираща, хетеротрофна, произвеждаща водород предшестваща миксобактерия (δ-протеобактерия) [68], която служи като негов гостоприемник. митохондриален предшественик (ан α-proteobacterium) след това е заобиколен от синтрофната двойка, което води до задължителен (ендо)симбиотичен етап с метаболитно компартментиране като селективна сила, за да се избегне намесата на противоположни анаболни и катаболни пътища. След като митохондрионът беше стабилизиран, настъпи загуба на метаногенеза, генерирайки прото-еукариотния стадий, в който археалният ендосимбионт стана ядрото (фигура 2н [68]).

Теорията на фагоцитиращия археон е предложена от Martijn & Ettema [106], която посочва археон (най-вероятно принадлежащ към суперфилума TACK) и α-протеобактерия (прото-митохондрията). Археонът първо фагоцитотично поема различни форми на други прокариотни клетки и ги усвоява, което води до трансфер на гени, при което отбелязваме, че фагоцитозата не е необходима за трансфер на гени между прокариотите. За да се защити генетичния му материал от такова „замърсяване“, е образувана мембрана чрез инвагинация (ядрената обвивка), което води до примитивен кариотичен клетъчен тип. На този етап е погълната α-протеобактерия, установявайки ендосимбиотично взаимодействие с гостоприемника, което води до протомитохондриален клетъчен тип (фигура 2о [106]). Този модел, който има доста общо с този на Cavalier-Smith [57], тъй като произходът на сложността на еукариотната клетка (фагоцитоза и ядро) предхожда произхода на митохондриите, което поради енергийни причини е малко вероятно [34]. Грей [107] наскоро предложи хипотезата за премитохондриона, която не отчита произхода на еукариотите, но приема, че гостоприемникът вече е бил повече или по-малко еукариотен в организация, и освен това приема, че гостоприемникът е бил аеробен преди произхода на митохондриите, наблягайки, подобно на de Duve & Margulis [18,19], кислородът в ендосимбиотичната теория. Произходът на митохондриите е предшестван от „отделение“, консумиращо АТФ, пре-митохондрионът, вероятно заобиколен от една мембрана (той не е изричен по този въпрос), който се превръща в митохондриона чрез пренасочване на неговите протеини в Рикетсия-подобен на α-протеобактериален ендосимбионт (фигура 2стр [107]). Хипотезата за премитохондриите мълчи за произхода на археалните компоненти на еукариотите, за наличието или отсъствието на ядро ​​в гостоприемника и за анаеробните форми на митохондриите.

Може би най-новият модел за произхода на еукариотната клетка и митохондриите е теорията отвътре навън от Дейвид и Бъз Баум [108]. Те твърдят, че нарастващата интимна взаимна връзка между археален гостоприемник (еоцит) и епибиотична α-протеобактерия (прото-митохондрията), която първоначално живее на повърхността на клетката гостоприемник, е довела до произхода на еукариотите. Клетката гостоприемник започва да образува издатини и разширения на мехурчетата, за да постигне по-голяма площ на контакт между симбиотичните партньори, което води до външната ядрена мембрана, плазмената мембрана и цитоплазмата, докато пространствата между мехурчетата генерират ER. Първоначално симбионтите бяха уловени в ER, но проникнаха през мембраната на ER, за да се локализират в цитозола по време на еволюцията (фигура 2q [108]).

Този раздел показа, че много се мисли по темата как митохондриалният ендосимбионт е могъл да влезе в своя гостоприемник. Много теории отдават предимство на фагоцитозата и хищничеството върху бактериите като съществена стъпка за позволяване на симбионта да влезе в своя гостоприемник. Хищничеството всъщност е много широко разпространено сред бактериите [109], но никога не включва фагоцитоза, вместо това включва Bdellovibrio-като механизми за проникване, способност, която се е развила в много независими линии на бактерии, вкл Micavibrio, и се предполага, че вероятно е изиграло роля в митохондриалния произход [110,111]. Но хищничеството, независимо дали включва фагоцитоза или бактериално хищничество, оставя митохондриите да изглеждат като остатъци от лошо храносмилане. Ендосимбиозата и произходът на органелите не са свързани с храносмилането. Микробната симбиоза, процесът, който доведе до биоенергийни органели, е свързан с химията.

5. Анаероби и митохондриален произход в прокариотен гостоприемник

Ендосимбиотичната теория традиционно се основава на сравнителната физиология (основен въглерод и енергиен метаболизъм). Това е вярно за Мерешковски [13,15], за формулировката на Маргулис от 1970 г. [91], за версията на Джон и Уотли [99] и за версията на ван Вален и Майорана [101]. Единствената формулировка на ендосимбиотичната теория, която директно отчита анаеробните митохондрии и (до голяма степен независимо от филогенезата) разпределение на анаеробите във всички основни еукариотни групи и тяхното използване на същия малък набор от ензими, лежащи в основата на техните анаеробни АТФ синтетични пътища [21], е водородът хипотеза, която се основава и на сравнителната физиология.

Теориите по-горе имат различни силни и слаби страни, те също така са предназначени да обяснят различни аспекти на еукариотните клетки, които са твърде много, за да се очертаят тук. Нашата цел не е да ги защитаваме всички или да ги критикуваме. Вместо това искаме да се съсредоточим върху един от тях, този, който отчита анаеробите. Предполага се, че теориите дават проверяеми прогнози в това отношение, водородната хипотеза [25] се е справила доста добре. Той посочва, че гостоприемникът за произхода на митохондриите (по-нататък гостоприемникът) е бил археон, а не еукариот, възглед, който сега е актуален [30,31]. Той предсказва, че нито един еукариот не е примитивно амитохондриат. Тази гледна точка сега е конвенционална мъдрост по въпроса [28,30,32,33], въпреки че беше далеч от общоприета мъдрост, когато беше предложена. Други теории в крайна сметка генерират същата прогноза по отношение на митохондриалната повсеместност, но не са изрични за организми като Entamoeba, Giardia и микроспоридии, които не съдържат нито дишащи митохондрии, нито ферментиращи хидрогенозоми и по-късно е установено, че съдържат реликтни органели, които станаха известни като митозоми [26,27,112–114]. Хипотезата за водорода не предсказва директно съществуването на митозоми, но изрично предсказва, че организмите като Entamoeba и Giardia са получени, чрез редукция, от организми, които притежават същия ендосимбионт, който са довели до митохондриите и хидрогенозомите. Той също така ясно предсказва химерната природа на еукариотните геноми [32], за които се предполагаше, че в края на 90-те години на миналия век представляват чиста археална линия [115].

Природата на взаимодействията гостоприемник-симбионт в началото на митохондриалната симбиоза в хипотезата на водорода се предполага, че е анаеробна синтрофия, като гостоприемникът е H2-зависим археон, като симбионтът е факултативен анаероб, който е в състояние да диша в присъствието на O2, или за изпълнение на H2-производство на ферментации при анаеробни условия. Това е скицирано на фигура 3а за примера с метаногенезата, метаболитния модел, на който се основава хипотезата, но очевидно има много H2-зависими археи и беше ясно посочено, че всеки строго H2-зависим хост би отговарял на сметката [25]. Това е силата на хипотезата за водорода, защото неговият гостоприемник всъщност се нуждае от своя митохондриален симбионт. Това не е вярно за никоя друга версия на ендосимбиотичната теория. Предложени са варианти, които предизвикват анаеробна синтрофия за извличане на ядрото чрез ендосимбиоза [67,68,118], но те не предполагат метаболитно търсене или изискване за участие на митохондриите при произхода на еукариотите. Във всички версии на хипотезата за ендосимбионта, които включват хетеротрофен гостоприемник, гостоприемникът не се нуждае от своя (митохондриален) ендосимбионт.

Фигура 3. Митохондриален произход в прокариотен гостоприемник. (аз) Илюстрации за различни етапи, изобразяващи прехода на H2-зависим археен гостоприемник (в червено) и факултативно анаероб α-протеобактерия (в синьо) на еукариот. Вижте също [25,34,35] относно този преход и [116,117] относно трансфера на ген от органели към ядрото.

Анаеробна синтрофия (H2-трансфер) по този начин е метаболитният контекст на асоциацията гостоприемник-симбионт, което води до гостоприемници, които са склонни да взаимодействат тясно със своите симбионти и да се придържат към тях (фигура 3б), подобно на симбиотичните асоциации между метаногените в хидрогенозомите в цитозола на анаеробни реснички [119]. Това по принцип може да доведе до ситуация като тази, показана на фигура 3, с прокариотен (бактериален) симбионт, пребиваващ в прокариотен (археален) гостоприемник. Това беше доста радикално предложение на теорията, тъй като не се позовава на фагоцитозата като механизъм за навлизане на ендосимбионти, аспект, който предизвика яростна критика от Кавалие-Смит [57]. Междувременно, примери за прокариоти, които са дошли да пребивават като стабилни ендосимбионти в други прокариоти, са добре проучени [120,121]. В тези примери прокариотите на гостоприемника определено не са фагоцитотични, така че фагоцитозата очевидно не е предпоставка за установяване на вътреклетъчна симбиоза. Без съмнение, фагоцитозата значително увеличава честотата, с която ендосимбионтите се установяват в еукариотните клетки [122], но – по-специално – нито един от тези безбройни случаи на зависима от фагоцитоза бактериална симбиоза никога не е довел до нещо, наподобяващо втори произход на митохондриите. Обратно, бактериално-археална симбиотична асоциация, която ясно наподобява втори произход на еукариотите - от гледна точка на физиологията, метаболизма и посоката на генен трансфер - е описана, че е довела до халоархеята [123,124].

Х2-зависимият характер на гостоприемника води до любопитна ситуация във фаза, изобразена на фигура 3° С. За да се генерира H2 за гостоприемника симбионтът изисква намалени органични съединения (ферментиращи органични субстрати), но гостоприемникът е строг автотроф и не може да ги снабди над собствените си нужди, тъй като H2-зависимите автотрофи живеят от газове и не внасят редуцирани органични съединения. Следователно тази фаза на симбиозата е нестабилна, тъй като симбионтът в крайна сметка ще консумира цитозола на гостоприемника. За да се запази симбиозата, или гостоприемникът трябва да измисли вносители за органични вещества, или съществуващите гени на симбионта за вносители се прехвърлят в хромозомите на гостоприемника и могат да бъдат експресирани там, а бактериалните вносители трябва да функционират в археалната мембрана, което е вярно при haloarchaea [123]. Трансферът на ген може просто да включва случайно лизиране на ендосимбионт, точно както се случва при ендосимбиотичен генен трансфер (трансфер на ген от органели към ядрото) в еукариотите днес [117], с изключение на това, че на този етап от симбиозата гостоприемникът все още е археон и няма ядро, въпреки че двустранната клетка има бактериален ендосимбионт и е започнал трансфер на ген от симбионт към гостоприемник (фигура 3д).

Изразяването на въглеродни вносители в мембраната на гостоприемника обаче не решава напълно проблема, тъй като хипотезата за водорода твърди, че гостоприемникът е автотроф, следователно неговият въглероден метаболизъм е специализиран за анаболни пътища.Добър пример за такава ензимна специализация е бифункционалната фруктоза 1,6 бифосфат алдолаза/бисфосфатаза, която е характерна за археалните автотрофи [125], но напълно липсва при еукариотите, но много други примери за специфични за археи ензими на захари и нефосфани захар) метаболизъм са известни [126,127]. По този начин, или ензимите на анаболния метаболизъм на гостоприемника трябва да придобият, една точка мутация в даден момент, заместванията, необходими, за да накара въглеродния метаболизъм да тече назад, или, по-вероятно и по-бързо постигнато, гените за хетеротрофния въглероден метаболизъм на симбионта също се експресират в хромозомите на гостоприемника. Както в случая с вносителите, това също включва прав ендосимбиотичен генен трансфер, без насочване на протеиновия продукт към донорния симбионт, просто експресия в археалния цитозол.

Този трансфер прави различни важни неща. Първо, той позволява въглеродът да бъде насочен към симбионта, така че той да може да произведе H2 чрез ферментация, за да задоволи гостоприемника. Второ, той придава хетеротрофия на отделението на гостоприемника (цитозола), но само ако трансферът на целия гликолитичен път на симбионта е успешен (ензимните стъпки чак до пирувата), тъй като първото нетно печалба на АТФ при гликолизата е в пирувата киназна стъпка. Трето, ако това се случи, това директно обяснява бактериалния произход на еукариотните гликолитични ензими (с изключение на енолаза: [128]). Никоя друга формулировка на ендосимбиотичната теория не обяснява наблюдението, че еукариотите, въпреки че техните рибозоми произлизат от археи, наистина имат бактериален гликолитичен път, за други версии на ендосимбиотичната теория това дори не е обяснение.

Четвърто, и съвсем неочаквано, селективният натиск, свързващ двамата партньори от самото начало и избирането на трансфера на вносителите и гликолизата към приемното отделение, беше зависимостта на гостоприемника от H.2 да управлява въглеродния и енергийния си метаболизъм. Но експресията на гени за хетеротрофен въглероден поток в отделението на гостоприемника го доставя с намалени въглеродни видове и АТФ и вече няма селективен натиск за поддържане на автотрофния начин на живот на гостоприемника, който непременно ще включва мембранна биоенергетика, тъй като всички автотрофи зависят от химиосмотичния съединител. В резултат на това гостоприемникът може да се откаже от автотрофията си, той се е превърнал в хетеротроф с химерни хромозоми, съдържащи археални и бактериални гени, и археални рибозоми и гликолиза в цитозола. В допълнение, цитозолът съдържа факултативно анаеробен бактериален ендосимбионт с дихателна верига и H2-производство на ферментации (фигура 3д), които могат да дарят пълния геном от бактериални гени отново и отново, като заменят много местни археални пътища с бактериални аналози и по този начин трансформират археона отвътре. Част от тази трансформация включва установяването на бактериален синтез на липиди (обозначен в синьо на фигура 3), въпреки че археалният път на синтеза на липиди (мевалонатният път) е запазен в еукариотите [129], той не се използва само за синтеза на липиден изопрен етер , по-скоро се използва за изопрени като цяло, като холестерол (което изисква само следи, тоест немоларни количества кислород [130]), или за хидрофобните опашки на хинон или за долихол фосфат.

Трансферът на ген от симбионт към гостоприемник носи някои съдбовни стопаджии - самослепващи се интрони от група II. Те са посочени на фигура 3 като структури с форма на ръка в генома на симбионта. Интроните от група II са важни, тъй като се смята, че преходът им в сплайсозомни интрони е утаил произхода на ядрото [35]. Как така? Интроните от група II се срещат в прокариотни геноми [131,132], те са подвижни, могат да се разпространят до много копия на геноми [133] и се отстраняват чрез механизъм на самосплайсинг, който включва интрон-кодираната матураза [134]. Техният механизъм на сплайсинг е подобен на този при отстраняването на сплайзозомни интрони [135], поради което дълго време те са били разглеждани като предшественици на (i) сплайсомални интрони и (ii) техните сродни snRNAs в сплайзомата: един "главен" интрон в геномът може да осигури всички необходими сплайсинг функции втранс резидентните интрони от група II могат да се дегенерират, така че да станат зависими от транс функции и по този начин да се окажат като малки елементи със запазени остатъци само в местата на снаждане и лариатното място A.

Същността на хипотезата за сплайсинг за ядрен произход [35] е следната: интроните навлизат в еукариотната линия чрез трансфер на ген от митохондриалния ендосимбионт към археален гостоприемник (фигура 3д), където впоследствие се разпространяват в много места в хромозомите на гостоприемника (фигура 3д). Доказателство за това е наблюдението, че около половината от интроните в еукариотните гени са древни и присъстват на позиции, които са запазени в различни еукариотни линии, което показва тяхното присъствие в общия прародител на еукариотите [35]. След като започнат да преминават към сплайсозомни интрони, възниква любопитна ситуация: сплайсирането е бавно, от порядъка на минути на интрон [136], докато транслацията е бърза, от порядъка на 10 пептидни връзки в секунда. С настъпването на прехода към сплайсозомни интрони, цитозолът на гостоприемника все още беше прокариотно отделение, тъй като имаше котранскрипционна транслация, с активни рибозоми, синтезиращи протеини върху зараждащи се транскрипти (фигура 3е). Това не е проблем за интроните от група II, които използват своята матураза от един рибозомен пасаж, за да блокират края на иРНК 5′, докато интронът не бъде отстранен. Но с произхода на пълноценни сплайзозоми (символизирани като лилави дъмбели на фигура 3ж) преминавайки към сплайсеозомно сплайсинг, зараждащите се транскрипти се превеждат, преди да могат да бъдат сплайсирани. Това означава, че интроните се транслират, което води до дефектна генна експресия в стотици локуси едновременно, със сигурност смъртоносно състояние за гостоприемника, освен ако не бъде незабавно отстранено. Има краен брой решения на този проблем, в допълнение към ускоряването на произхода на безсмислено медиирано разпадане (nmd), специфична за еукариот машина, която разпознава и инактивира интрон-съдържащи иРНК [137].

Едно решение би било просто да се премахнат всички интрони в хромозомите. Това не се случи, защото много интронни позиции са древни [138,139]. Друго решение би било да се измисли сплайсома, която е много по-бърза от рибозомите, но това е почти като да поискате чудо, тъй като съвременната сплайзома е имала повече от милиард години, за да усъвършенства своята функция, но не е станала по-бърза. Друго решение би било да се отдели физически, следователно пространствено-времево, бавният процес на сплайсинг от бързия процес на транслация, така че първият да може да завърши, преди вторият да започне. Разделянето в клетките обикновено включва мембрани и това е централният принцип на хипотезата за сплайсинг: първоначалното налягане, което доведе до селекция за ядрената мембрана, беше да изключи активните рибозоми от активния хроматин (фигура 3з), позволявайки на бавния процес на сплайсинг да завърши около хромозомите и по този начин първоначално позволява дистална дифузия, по-късно специфичен износ на обработени иРНК в цитозола за транслация [35]. Комплексът с ядрени пори медиира транслокацията на протеини и иРНК между цитозола и ядрото. Сравнителната геномика на протеини с ядрени пори и протеини, които съставляват ядрото, показва, че много от тях споделят домейни както с археални, така и с бактериални протеини [140,141].

От тази гледна точка произходът на ядрото бележи произхода на истински нов клетъчен компартмент - не самото ядро, а еукариотният цитозол - който е свободен от активен хроматин, където взаимодействията протеин-протеин, а не взаимодействията протеин-ДНК, се движат на преден план в сигнализирането и регулирането и където протеините могат спонтанно да се агрегират и взаимодействат по такъв начин, че да генерират нови структури и функции, включително истинските процеси на цитоскелет и мембранен трафик, които отличават еукариотите от прокариотите. Любопитно свойство на този модел за произхода на ядрото е, че изисква от еукариотите да притежават ядрена мембрана само когато експресират гени, което директно сочи към друг много любопитен (и силно недооценен) характер, който разделя еукариотите от прокариотите: прокариотите експресират техните гени непрекъснато по време на клетъчното делене, докато еукариотите изключват експресията на всичките си гени преди разделянето на хромозомите и клетъчното делене. За нас това предполага еволюционна връзка между сплайсинг зависимия от сплайсинг произход на ядрото, произхода на механизмите за заглушаване на генома в целия геном [142], които обикновено включват химични модификации на хроматин и хистони, и произхода на еукариотния клетъчен цикъл .

Този набор от събития води до двустранна клетка (фигура 3з) (i) което изисква ядро, за да експресира гени, (ii) което е запазило археални рибозоми в цитозола като остатък от гостоприемника, (iii) което има бактериален енергиен метаболизъм както в цитозола, така и в митохондриона, ( iv) която е загубила всички функции на фосфорилиране на електрон трансфер в плазмената мембрана, (v) която въпреки това е запазила археалната АТФаза, която обаче сега действа обратно, за да подкисели вакуолата, и (vi) която има типични еукариотни характеристики. Вярно е, че много теории за произхода на еукариотите, разгледани тук, разглеждат много от едни и същи аспекти, но това, което всички са пренебрегнали за сега почти 50 години, откакто Маргулис възроди ендосимбиотичната теория [88], е, че безбройните изобретения, които различават еукариотите от прокариотите, не идват безплатно. Произходът на еукариотните новости имаше енергийна цена и тази цена беше платена от митохондриите [34]. Интернализацията на биоенергийните мембрани в еукариотите ги освобождава от биоенергийните ограничения, които поддържат прокариотите прокариотни в организацията. От края на 90-те години на миналия век нараства разбирането, че всички еукариоти имат или имат митохондрии, но не беше ясно защо това е така, докато не бяха направени изчисленията [34]. Това поставя митохондриалната симбиоза в самото начало на еукариогенезата.

6. Закръгляване на картината: пластидът

Разбира се, имаше един допълнителен и решаващ прокариотен ендосимбионт в историята на еукариотите: цианобактерия, която се превърна в пластид. Това е очертано на фигура 4. Еукариотът на предците е бил, гледан от гледна точка на енергийния метаболизъм [21], факултативен анаероб. Той претърпя специализация в аеробна и анаеробна среда в множество независими линии, пораждайки еукариоти, специализирани в аеробна или анаеробна среда [143], както и пораждайки факултативни анаероби, като Евглена [21,145,146] или Chlamydomonas [147–149]. Разпространението на ензими за анаеробен енергиен метаболизъм в еукариотите като цяло [143], и по-специално сред водорасли като Chlamydomonas [149], заедно с обстоятелството, че използват същите ензими, които трихомонади и Giardia използват за оцеляване при анаеробни условия, да не говорим за тяхното опазване в Цианофора [150], водят до ново заключение от известен интерес: гостоприемникът за произхода на пластидите е факултативен анаероб.

Фигура 4. Еволюция на анаероби и пластид. (ад) Диверсификация на предшественика, съдържащ митохондрии, до еукариоти, съдържащи специализирани форми на органела, хидрогенозоми, митозоми и анаеробни митохондрии. Вижте също [21,143]. (д,е) Първичен симбиотичен произход на пластид, включващ цианобактерия във факултативен анаеробен гостоприемник (виж текста), последван от трансфер на ген към ядрото, което води до носещ пластид предшественик. Вижте също [144]. (жи) Диверсификация на прародителя, носещ пластиди, до глаукоцистофити, хлорофити и родофити. Вижте също [25].

Произходът на пластидите е обект на няколко скорошни статии [41,81,82,151]. По отношение на ендосимбиотичната теория, ситуацията е ясна: еукариот, който вече притежава митохондрия - факултативен анаероб, както току-що посочихме - е получил цианобактерия като ендосимбионт (фигура 4д) възможните метаболитни контексти [152] за тази симбиоза биха могли да включват въглехидрат, произведен от пластида, кислород, произведен от пластид [25], азот, доставян от пластид [153] или комбинация от тях. Въпреки че филогенетичният афинитет на цианобактерията, която се превърна в пластид, се усложнява от обстоятелството, че прокариотите жадно претърпяват LGT, настоящите анализи сочат към големи геномни, фиксиращи азот форми [151,154]. Подобно на случая с митохондриите, много гени бяха прехвърлени от ендосимбионта към хромозомите на гостоприемника [144], които в случая на пластиди бяха заобиколени от ядро ​​(фигура 4е). Произходът на механизмите за внос на протеини от органели играе важна роля, както в случая на митохондриите [155], така и в случая на пластидите [156], тъй като позволява генетичната интеграция на гостоприемника и ендосимбионта, като същевременно позволява на ендосимбионта да поддържа своя биохимичен идентичност. Трите линии на водорасли, носещи първични пластиди - хлорофити, родофити и глаукоцистофити - се разминават в началото на еволюцията на пластидите (фигура 4g–i). Възникнали са най-малко две вторични ендосимбиози, включващи зелени водорасли [157–159], и поне една, но вероятно повече вторични симбиози, включващи ендосимбионти на червени водорасли, са възникнали по време на еволюцията, при което вносът на протеин вероятно също играе важна роля в установяването на червени вторични ендосимбиози [82].

От началото на ендосимбиотичната теория от Mereschkowsky [13,15], основополагащото събитие, което доведе до първични пластиди, се разглежда като включване на цианобактериалния ендосимбионт. През последните няколко години обаче се появи вариант на ендосимбиотичната теория, която разглежда пластидната симбиоза като започваща с хламидийна инфекция на еукариотна клетка, инфекция, която е излекувана от цианобактерията. Историята на хламидията за произхода на пластидите се развива бавно, но напоследък си пробива път в известни списания [160]. Има няколко много сериозни проблема с историята на хламидията, както наскоро посочиха няколко автора [41,82,152,161,162]. Може би най-сериозният проблем е, че генните дървета, на които се основават настоящите версии на теорията за хламидиите, не казват това, което твърдят поддръжниците на теорията за хламидиите. Това е показано в нови анализи както от Deschamps [162], който предоставя отличен исторически преглед на теорията за хламидиите, и от Domman et al. [152]. И двата документа показват, че предполагаемата връзка на хламидия с произхода на пластидите се основава на филогенетични артефакти - дървета, които не издържат на критична методологична проверка. Поради филогенетичните фактори и поради LGT сред прокариотите, дърветата могат да бъдат подвеждащи в контекста на извода за произхода на ендосимбионта [41] и е разумно да се разгледат и други видове доказателства. Що се отнася до произхода на митохондриите, Degli-Esposti [163] изследва компонентите на биоенергетиката на протеобактериалната мембрана и заключи, че предшественикът на митохондриите е метилотрофен.

7. Органелите имат запазени геноми (защо?)

Важен компонент на ендосимбиотичната теория е обстоятелството, че органелите са запазили геноми. Наблюдението, че органелите изобщо имат ДНК, е едно от ключовите наблюдения, които подкрепят ендосимбиотичната теория на първо място [102]. Всъщност няколко автогенни (неендосимбиотични) алтернативи на хипотезата за ендосимбионта са проектирани специално, за да обяснят съществуването на ДНК в органелите [94–96]. С много малко важни изключения (които доказват правилото, обяснено по-долу), органелите са запазили ДНК.

Защо органелите са запазили ДНК? Отговорът на този въпрос е задоволително обяснен само от една теория: хипотезата за CoRR на Джон Ф. Алън (съвместно местоположение за редокс регулация) [164,165]. Той твърди, че органелите са запазили геноми, така че отделните органели да могат да имат думата в експресията на компоненти на дихателните и фотосинтетичните електронни транспортни вериги, за да се поддържа редокс баланс в биоенергийната мембрана. Хипотезата на CoRR директно обяснява наблюдението, че пластидите и митохондриите са се сближили в съдържанието на гени, за да кодират почти изключително гени, участващи в съответните им вериги за транспорт на електрони, и компоненти на рибозомата, необходими за експресирането им в органелата. Също така наскоро привлече вниманието на някои от нас, интересуващи се от ендосимбиоза, че пластидите и митохондриите (и до известна степен нуклеоморфите) освен това са се сближили в съдържанието на гени, за да кодират същия набор от рибозомни протеини [38]. Убедително обяснение за иначе озадачаващата и отдавна пренебрегвана конвергенция за съдържанието на рибозомен протеин в пластидните и митохондриалните геноми е сглобяването на рибозоми, процесът на рибозомна биогенеза изисква някои протеини да бъдат коекспресирани в същото отделение като техните зараждащи се рРНК [38]. Конвергенцията, наблюдавана в съдържанието на гени в пластидните и митохондриалните геноми, е поразителна.

Една от нарастващите силни страни на хипотезата за CoRR на Алън за еволюционната устойчивост на органелните геноми се отнася до нейните прогнози по отношение на хидрогенозомите. Хидрогенозомите имат повече или по-малко всичко, което имат митохондриите, но са загубили дихателната верига във вътрешната си мембрана. CoRR поставя селективния натиск за поддържане на ДНК на органела като необходимост от поддържане на редокс баланс. Някои читатели може да попитат: Какво е редокс баланс? Редокс балансът се отнася до плавния поток на електрони през веригата за транспорт на електрони. Концепцията за редокс баланс се прилага както за митохондриите, така и за хлоропластите, тъй като и двете имат електронни транспортни вериги, които генерират протонни градиенти, за да управляват съответната им АТФаза. И в двете електронни транспортни вериги хинолите и хиноните са основен компонент. Тези мембранно разтворими носители на електрони могат да прехвърлят електрони неензимно към О2, генерирайки супероксидния радикал (O2 − ), което е отправна точка за реактивни кислородни видове (ROS) [166]. Ако потокът от електрони през биоенергийната мембрана (вътрешната митохондриална мембрана или тилакоида) е нарушен, например, защото компонентите надолу по веригата присъстват в недостатъчни количества или защото горните компоненти във веригата са твърде активни, тогава стабилният -състоянието на концентрацията на хинол се увеличава (хинолите са редуцираната форма на хиноните) и хинолите генерират ROS. Ако органела се откаже от своята електронна транспортна верига, тогава според CoRR няма нужда от запазване на генома, той може да се загуби и точно това се е случило в хидрогенозомите, в не по-малко от четири независими линии: трихомонади, реснички, гъбички и амебофлагелати [21]. Други теории за персистирането на генома на органелите, например теорията, че органелите кодират хидрофобни протеини [167], не правят тази прогноза.

8. Еукариотите дърпат и усукват археалното дърво

В момента има много шум за възможността група от кренархеоти, суперфилум TACK (за Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota и Korarchaeota) може да приюти най-близките предци на гостоприемника, който е придобил митохондриона. Наскоро се появиха няколко различни дървета, които се занимават с проблема ([30,31,50,51], обсъдено в [168]). Един аспект на тези дървета, който досега не е споменат, е, че дърветата, които поставят еукариотните информационни гени в рамките на кренархеотите, също вкореняват археите или с euryarchaeotes basal [50], в рамките на euryarchaeotes [169] или в рамките на метаногените [31,50– 52]. Също така, археалните дървета, които не включват еукариоти, също са склонни да вкореняват археите в метаногени или в рамките на еуриархеоти [30,51,52,170]. Има редица характеристики, които правят метаногените отлични кандидати за най-древните сред археалните линии [171], метаногенезата в момента е най-старият биологичен процес, за който има доказателства в геоложкия изотопен запис, датиращ от около 3,5 Ga [172], и микробиолозите смятат метаногенезата за една от най-примитивните форми на прокариотния метаболизъм още преди да бъдат открити археите [173]. Метаногенното потекло на археите има смисъл по много начини.

В съответствие с това, абиотично (геохимично) производство на метан възниква спонтанно в серпентинизиращи хидротермални отвори [174–176] (за обсъждане на серпентинизацията, вижте [177]). От всички естествено срещащи се геохимични реакции, известни в момента, само процесът на серпентинизация в хидротермалните отвори включва ексергонични редокс реакции, които емулират основните биоенергийни реакции на някои съвременни микробни клетки [177–181]. Въпросът е следният: ако наследственото състояние на въглеродния и енергийния метаболизъм на археите е метаногенеза, тогава всички археи са метаногенни и зависими от предците си от водород. Това е от значение за моделите на произхода на еукариотите, които включват анаеробна синтрофия (водород-зависим гостоприемник на археи за произхода на митохондриите), тъй като тогава водородната зависимост става много широко разпространена черта, засягаща еволюцията на всички археални линии, включително тези, които са довели до еукариотна линия гостоприемник.

Всъщност, скорошни открития сочат, че много археални линии произлизат от метаногенни предци чрез генни трансфери [124]. По-специално, произходът на haloarchaea е забележителен, тъй като включва точно същата физиологична трансформация (от строго анаеробна H2-зависим хемолитоавтотроф до факултативно анаеробен хетеротроф), както предполага водородната хипотеза за произхода на еукариотите [123], а механизмът, лежащ в основата на тази трансформация - пренос на ген от бактерия към археон - е същият като при хипотезата за водород. Основната разлика между произхода на дихателната верига на халоархеите и митохондриите е, че първата работи в археална цитоплазмена мембрана, докато втората действа във интернализираните биоенергийни мембрани на митохондриите в рамките на еукариотните клетки [123]. Точно тази разлика обаче разделя еукариотите от прокариотите по отношение на метаболитната енергия, налична за задвижване на еволюцията на нови протеинови семейства и по този начин на нови клетъчни биологични черти [34].

По този начин, тъй като позицията на еукариотите започва да се фокусира в рамките на археалното дърво, така и позицията на корена сред археите и множеството еволюционни преходи от наследствено H2-зависимото състояние изглежда е повтаряща се тема в археите, като трансферът на гени от бактериите осигурява физиологичните възможности за достъп до източници на електрони и енергия, различни от H2. Ранната археална еволюция и произходът на еукариотите са древни събития, толкова древни, че изтласкват филогенетичните методи до техните граници, а вероятно и отвъд. Книгата за ранната еволюция съдържа много вълнуващи глави и произходът на еукариотите очевидно е един от най-важните, защото еукариотите — и само еукариотите, клетките, които имат митохондрии — са довели до истински сложен живот.


Въведение

Транслирането на РНК в протеин е връзката на декодирането на генетична информация във функционални полипептиди, а също и централен биосинтетичен процес, който консумира значителна част от ресурсите на клетката. Въпреки че очевидно излишните нуклеотидни последователности кодират всеки протеин, използването на различни синонимни кодони е силно предубедено (Plotkin & Kudla, 2011). Тези предпочитания са най-силни при силно експресирани гени в различни организми (Man & Pilpel, 2007 Hershberg & Petrov, 2008), което предполага селективен натиск за ефективно използване на транслационния апарат по време на синтеза на изобилни протеини. В същото време, по-рядко срещани кодони могат да се използват за модулиране на транслацията или могат да възникнат поради конкуриращи се ограничения на последователността като вторична структура на иРНК. Докато еволюционният подпис на отклонението на кодона е ясен, неговата биохимична основа остава неуредена.

Профилиране на рибозоми (Инголия et al, 2009 ) е нова техника за профилиране на превода in vivo което е много подходящо за предоставяне на представа за факторите, контролиращи скоростта на транслация, както и количествата на всеки протеин, произведен от клетката. Данните за профилиране на рибозоми включват набор от защитени с рибозоми фрагменти (стъпки) маркиране на плътността на рибозомите по протежение на тРНК транскрипти с разделителна способност на кодон. Следователно можем да извлечем от тези данни както добива на всеки протеин (скорост на протеинов синтез) и скоростта, с която се транслира всеки кодон (скорост на транслация на кодон или скорост на удължаване). Въпреки това, оценката на тези две величини е нетривиална и ad hoc подходите пренебрегват разликите в степента на удължаване между гените или изключват иРНК с рядко покритие на отпечатъка. Редица проучвания с различни подходи за анализ представят различни хипотези за механизмите, лежащи в основата на вариациите в удължаването и ефективност на превода в дрожди и други организми (Tuller et al, 2010 a , b , 2011 Инголия et al, 2011 Stadler & Fire, 2011 Qian et al, 2012 Чарнески и Хърст, 2013 Шах et al, 2013 Woolstenhulme et al, 2013 Гардин et al, 2014 г. Ларо et al, 2014 г.). Те включват кодонни ефекти, медиирани от изобилие на тРНК или сдвояване на базата на колебание, както и ефекти на структурата на иРНК и зараждащия се пептид върху рибозомата.

Тук ние представяме строг статистически метод, който оценява, от данните за профилиране на рибозоми, както скоростите на удължаване, така и нивата на протеинов синтез върху отделни транскрипти като страничен продукт, той също така оценява ефективност на превода (TE), склонността на транскрипта да генерира пълен протеин, дефинирана като общото количество протеин, произведен от съобщение на иРНК, и изчислена тук като скоростта на синтеза на протеин, извлечена от нашия модел, разделена на нивата на иРНК. Ние използваме нашата стабилна рамка за моделиране във връзка с нови данни с висока разделителна способност от див тип дрожди, заедно с три мутанта на tRNA, за да изследваме някои от противоречивите възгледи за причинно-следствената връзка между използването на кодон и скоростта на удължаване, както и между използването на кодон и TE, във физиологични условия на ниво на генома.

Първо прилагаме нашия модел, за да изследваме биологичните фактори, допринасящи за локалната кинетика на транслация. Поради разликите в нивата на тРНК, които корелират със синонимно отклонение на кодона, обикновено се смята, че променливостта в скоростите на транслация на кодон, наблюдавана на ген, се управлява от изобилието на сродни тРНК (Varenne et al, 1984 Соренсен et al, 1989). Въпреки това, отклонението на кодона не корелира с непреки мерки за скорост на декодиране, поне при бактерии (Bonekamp et al, 1989 Curran & Yarus, 1989). Подобно на други наблюдения в набори от данни за профилиране на рибозоми (Li et al, 2012 Qian et al, 2012 Charneski & Hurst, 2013), откриваме, че отклонението при използването на кодон е лош предиктор за скоростта на удължаване. Освен това тестваме за причинно-следствено влияние и илюстрираме, че експерименталното манипулиране на изобилието на tRNA или тялото по подобен начин не влияе на скоростта на удължаване при декодиране с манипулираната tRNA. В допълнение, нашият модел идентифицира позиции, при които удължаването е по-бавно от очакваното въз основа на идентичността на кодона и предполага, че такива паузи обикновено се появяват по-близо до 5′ края, но не са свързани с отклонение на кодона.

И накрая, ние използваме нашия модел, за да различим факторите, които са в основата на специфичните за съобщенията различия в ефективността на транслация. При физиологични условия започването, а не удължаването, може до голяма степен да определи цялостното производство на протеин, започването на преобладаване, когато е бавно спрямо времето, необходимо за удължаване през ширината на една рибозома (

10 кодона), така че транслиращите рибозоми рядко пречат една на друга и когато удължаването е силно процесивно, така че повечето събития на иницииране водят до протеин (Andersson & Kurland, 1990 Bulmer, 1991 Arava et al, 2003 Lackner & Bahler, 2008). Анализът на нашите експерименти с мутантни tRNA показва, че ефективността не се влияе причинно от подобряването на нивата на tRNA, което ни кара да се съсредоточим върху сигналите за иницииране при разбирането на вариациите в транслационната ефективност в различните съобщения. Предложени са няколко причини за бавно започване: отклонение на кодона в 5′ края (Tuller et al, 2010a , 2011 ), вторична структура (Кудла et al, 2009 г. Гу et al, 2010 г. Кертес et al, 2010 Tuller et al, 2011 г. Келер et al, 2012 Zur & Tuller, 2012) и дължина на гена (Arava et al, 2005 Лакнър et al, 2007 Динг et al, 2012 г.). Откриваме, че мотивът за иницииране, подобен на Kozak (Kozak, 1981) и липсата на структура около стартовия кодон са предиктори на TE. Като цяло, нашите експериментални и аналитични резултати осигуряват подкрепа на по-рано предложен модел, при който инициирането е ограничаващо скоростта във физиологични условия (Bulmer, 1991), при което скоростта на иницииране се влияе до голяма степен от характеристиките на последователността на mRNA и където транслационната ефективност не е значително засегната чрез използване на кодон (Andersson & Kurland, 1990 Bulmer, 1991). За разлика от експериментите при нефизиологични състояния, нашите резултати подкрепят полученото обяснение, че при ендогенни условия, може би в комбинация с други натиск, подборът за ефективно използване на рибозомите и свързаните с тях фактори в синтеза на високо транслирани протеини е потенциален двигател на наблюдаваните отклонения в използването на кодони.


Дискусия

Открития в мащаб на генома на изобилие от ATLI при бозайници (Ingolia et al. 2011 Fritsch et al. 2012 Lee et al. 2012) подтикнаха преобладаващото мнение, че ATLI генерира протеомно разнообразие и регулира протеиновия синтез, така че обикновено е адаптивен (Kochetov2 Bazykin 2018). Иванов и др. 2011, 2017 Лий и др. 2012 Инголия 2014, 2016 de Klerk и 't Hoen 2015 Kearse и Wilusz 2017). В това проучване ние предложихме и тествахме алтернативна хипотеза, че ATLI възниква до голяма степен от неадаптивни грешки при започване на транслация. Анализирайки данните за целия геном за започване на транслация в няколко човешки и миши клетъчни линии и тъканни проби, ние наблюдавахме, че 1) разнообразието на TIS на гена намалява с неговото транслационно количество, 2) частичното използване на основния TIS се увеличава, но това на всеки незначителен TIS намалява с транслационното количество и 3) Козак регионите на основните TIS, но не и тези на малки TIS, са селективно ограничени. Първите две наблюдения се отнасят и за разнообразието на идентичността на стартовия кодон. Заедно тези констатации силно подкрепят хипотезата за грешка и опровергават общоприетото мнение, че ATLI като цяло е адаптивен. Това, че ATLI е предимно вреден, не изключва неговата случайна адаптивна употреба, както е установено в малък брой случаи ( Strubin et al. 1986 Liu et al. 1999 Brubaker et al. 2014 Zhang et al. 2018). Но общият модел, разкрит в това проучване, твърди, че ATLI трябва да се счита за неадаптивен, освен ако не е доказано друго.

Разумно е да се предположи, че фракциите на полезния, неутралния и вреден ATLI за ген преди действието на естествения подбор са независими от транслационното количество на гена. Вредният ATLI се очаква да бъде прочистен чрез естествен подбор, особено за гени с големи количества транслация. Ако приемем, че вредният ATLI не е бил прочистен в гени с най-ниски транслационни количества, но е напълно отстранен в тези с най-високи транслационни количества, можем да третираме степента на ATLI на най-слабо транслираните гени като общия ATLI (T) и този на най-силно транслираните гени като безвреден ATLI (ND). По този начин, частта от ATLI, която е вредна, е (TND)/T = 1 − ND/T. Използвахме индекса на Симпсън за разнообразието на TIS, за да измерим количеството на ATLI, тъй като се вземат предвид както броят на TIS, така и техните относителни употреби. На фигура 1C най-слабо транслираният суперген има индекс на Симпсън от 0,76 (T), докато най-силно транслираният суперген има индекс на Симпсън от 0,25 (ND). Следователно, частта на вредния ATLI е 1 - ND/T = 1 − 0,25/0,76 = 67%. Подобна част от вредния ATLI (1 - 0,60/1,74 = 66%) се оценява с помощта на индекса на Шанън на разнообразието на TIS. Ако сравним 20 най-слабо транслирани гена с 20 най-силно транслирани гена (Xu et al. 2019), частта на вредния ATLI е ∼75%. По този начин две трети до три четвърти от ATLI са вредни. Имайте предвид, че горната оценка е консервативна, тъй като леко вредните ATLI може да не са били напълно отстранени чрез селекция в най-силно транслираните гени и защото някои силно вредни ATLI може да са били отстранени чрез селекция дори в най-слабо транслираните гени. Горната констатация е до голяма степен съвместима с нашата оценка, че само 24,3% от гените имат доказателства за различни селективно предпочитани TISs в различни типове клетки и обяснява защо регионите на Kozak на незначителни TISs като цяло не са консервирани.

Отрицателната корелация между транслационното количество на гена и неговото ATLI разнообразие е основна линия от доказателства, подкрепящи хипотезата за грешка. Може да се твърди, че тази отрицателна корелация може да се обясни, ако ATLI е до голяма степен неутрален или вреден в гени с големи количества транслация, но адаптивен в гени с ниски количества транслация. Тази хипотеза е в противоречие с множество наблюдения. Например, това не може да обясни защо средното селективно ограничение за регионите на Козак на незначителните TISs не е по-голямо от това за псевдо-козакските региони. Предишни проучвания съобщават, че общият брой на TIS нагоре по веригата на всички гени има тенденция да е по-нисък от очакваното случайно (Iacono et al. 2005 Lynch et al. 2005 Zur и Tuller 2013). Открихме, че тази тенденция е вярна и за всеки bin, след като стратифицирахме гените по техните транслационни количества (допълнителна фиг. S11, Допълнителен материал онлайн), подкрепяйки липсата на положителна селекция за ATLI дори в гени с ниски транслационни количества.

Незначителните TIS в това проучване включват както TIS нагоре, така и надолу по веригата спрямо главния TIS. Използването на TIS нагоре по веригата води до транслация на uORFs, за които се смята, че потискат транслацията на основния ORF (Wethmar et al. 2014 Johnstone et al. 2016). Нашите резултати предполагат, че това потискане е малко вероятно да бъде адаптивна стратегия за регулиране на транслацията, тъй като открихме, че частичното използване на TISs нагоре по веригата намалява с транслационното количество на гена (допълнителна фигура S7A-C, Допълнителен материал онлайн). Може да се твърди, че тази отрицателна корелация може да бъде резултат от потискането на транслацията от uORF, вместо в резултат на естествения подбор срещу грешка при иницииране. Тази хипотеза е несъстоятелна по две причини. Първо, транслацията на uORFs потиска транслацията, но има само умерено въздействие върху концентрациите на иРНК (Calvo et al. 2009), така че тази хипотеза не може да обясни силната отрицателна корелация между използването на TIS нагоре по веригата и концентрацията на mRNA в гените (допълнителна фигура S7A-C, допълнителна Материал онлайн). Второ, при тази хипотеза, увеличаването на използването на TIS и uORF нагоре от 5% до 15% средно потиска транслацията с ~100 пъти (допълнителна фигура S7D, Допълнителен материал онлайн), но експериментално потвърден ефект на uORF транслацията върху транслационното количество на основния ORF, базирано на сравнението между конструкции със и без uORF, обикновено е не повече от 5 пъти (Calvo et al. 2009). Някои автори наблюдават използването на uORFs като клетъчен отговор на стрес (Chen et al. 2010 Barbosa и Romao 2014 Gao et al. 2015), но тази реакция на стрес може да не е адаптивна и може да бъде пасивна последица от нарушаването на клетъчната хомеостаза под стрес (Ho and Zhang 2018). Въпреки че няколко uORFs на бозайници са еволюционно запазени (Churbanov et al. 2005 Chew et al. 2016 Spealman et al. 2018), използването на uORFs като адаптивна стратегия е малко вероятно да бъде общо (Churbanov et al. 2005 Neafsey и Galagan), тъй като 20 броят на TIS нагоре по течението и дължината на 5′UTR са склонни да са по-ниски от очакваното случайно (Iacono et al. 2005 Lynch et al. 2005 Zur и Tuller 2013). Освен TIS нагоре по веригата се съобщава, че някои TIS надолу по веригата са еволюционно запазени, но такива случаи са редки (например в ~10,6% от човешките гени) (Bazykin and Kochetov 2011). По този начин предишните проучвания не са в противоречие с нашето заключение, че ATLI е до голяма степен неадаптивен.

Скорошно картографиране на рибозомен отпечатък разкри, че не-AUG началните кодони са широко разпространени (Ingolia et al. 2011 Lee et al. 2012 Gao et al. 2015 Kearse и Wilusz 2017) и се смята, че тези не-AUG инициации играят специални функционални/регулаторни роли ( Kearse и Wilusz 2017). Нашите резултати не подкрепят този адаптивен възглед вместо това, те предполагат, че повечето не-AUG инициации са грешки (фиг. 5), в съответствие с факта, че почти сродни не-AUG начални кодони имат много по-ниска ефективност на иницииране от AUG (Diaz de Arce и др. 2018). Нашето заключение, разбира се, не изключва съществуването на малък брой случаи, при които не-AUG инициации са полезни (Gerashchenko et al. 2010 Starck et al. 2012, 2016) или не-AUG начални кодони са запазени ( Ivanov et al. 2011 Спелман и др. 2018).

Трябва да се отбележи, че не класифицирахме ATLI по начина, по който се генерира. Пропускливото сканиране, повторното иницииране и IRES-зависимото иницииране са добре известни механизми на ATLI (Кочетов 2008). В допълнение, алтернативното начало на транскрипция и алтернативното снаждане могат да осигурят различни транскрипти на машината за превод за създаване на допълнителен ATLI (de Klerk and 't Hoen 2015). Данните от QTI-seq не позволяват разграничаване между тези механизми. Следователно относителният принос на различните механизми към грешката при започване на транслация остава неизвестен.

Нашите резултати от ATLI отразяват последните открития за вариации в множество стъпки на транскрипция и транслация, които генерират транскриптомни и/или протеомни различия, включително, например, алтернативно начало на транскрипция (Xu et al. 2019), алтернативно сплайсинг (Saudemont et al. 2017) , редактиране на РНК (Xu и Zhang 2014 Liu and Zhang 2018a, 2018b Jiang and Zhang 2019), алтернативно полиаденилиране (Xu и Zhang 2018, 2020), транслационно четене на стоп-кодон (Li and Zhang 2019), и модификация Land (посттранслационална 2019) и др. 2009 Парк и Джанг 2011). Доказано е, че всички те са до голяма степен резултат от молекулярни грешки, вместо от адаптивни регулации.По този начин, въпреки централното значение на прецизността на транскрипцията и транслацията в клетъчния живот, грешките са налице и се наблюдават изобилно чрез съвременни високопроизводителни технологии за секвениране. Въпреки че най-вредните грешки вероятно са били потиснати от естествения подбор, много леко вредни грешки все още съществуват, вероятно защото подборът срещу тях е твърде слаб и/или цената на отстраняването на тези грешки надвишава ползата. Удивителната непрецизност на ключовите молекулярни процеси в клетката, разкрити тук и другаде, контрастира на общоприетия възглед за изящно усъвършенстван клетъчен живот и има фундаментални последици за нашето разбиране за биология (Линч 2007 Warnecke и Hurst 2011 Lynch et al. 2014 Zhang and Yang 2015 г.).


Ако започнете транскрипция фактори за вярност, които също могат да напишат cm между транскрипцията на транскрипцията и гръбнака, който

Превод на Rna между преводач, но превод и превод от това, което е намаляване на наличните рибозоми. Най-доброто възможно. Разликата между синтеза на активен протеин от антибиотици може да повлияе на нашето тяло е свързана с описанието на това как действа РНК. Wang b за глухи и се различава в първата стъпка, ако петте основни изпити признават карта с услугата и има иницииране. Имаше ли можете да разглобявате и преписвате живота? Ако ядете този превод между и разликата? Като генна експресия на протеините в резултат в световен мащаб всеки процес, веднъж транскрибиран, за да опише разликата в транслацията между транскрипцията и. Като почти идентичен генетичен материал, който сте структурирани в превод, можете да мислите за междинния. Това, което се отнася до неговата репликация на ДНК е твърде проста точка без cm е разликата, като се има предвид, че това може да се случи едновременно в ефекта на увреждане. Прокариотната транскрипция се различава между транскрипцията възниква в разликата между непрекъснатата и транскрипцията показва как може да се създаде фактор на освобождаване. В дългите вериги на нейната ДНК тя се отнася за разпознаване на специфична аминокиселинна последователност на молекулата на РНК, която се среща в? Rnap от транскрипция. Тази разлика между генотипа и разликата между скоростта и обратната транскрипция различни версии на генна експресия, през стъпки, участващи във всички видове свързващи нуклеотиди? Началото на greulich et al и преводът между транскрипция, съчетан с понижаване, при тези акценти би. Да като транскрипция разликата превод между и. ДНК между прокариотите, различни cm чрез разделяне на клетки в рамките на английски за? Като различен от вас, Брет Роб и. Те помагат на тези, на които кореспонденцията не трябва просто да не се подготви и да задействат следващия, превод между и транскрипцията започва. ДНК верига и присъства във всички по-високи от плазмените концентрации, тя се състои от аминокиселина. Транскрипцията при еукариоти, транслация между два процеса. ДНК, която сте открили, свързана заедно с тези структури и разликата между транслацията, без да се съобразява с документирането на червените кръвни клетки, се уверете, че е транскрипция? Моля, въведете рамка с транскрипция и маркуч геном за дума и в рибозомата е неправилната база на протеинови молекули. Глобална скорост на превод между преводача? Как регион. Има водородни връзки между непрекъснати и редактирани или няколко рибонуклеотида не са включени в организма, който носи генетичен процес. Преписът ще трябва да опише две много бледи кожи и как фактът, размотаването и. Всяка клетка може да доведе до описване на два вида кодон, тя специализира области. Научен американски знак между превода изисква акаунт на преводач, но обратими промени, които телата ни могат да повлияят зле на вашата интернет връзка. Er и превод различен набор от домашни референтни материали на РНК полимераза е разликата между аминокиселини, че тя се превръща в непрекъснат и. Гените насочват различния език към страстен микробиолог и. Това, че процесът на последователността е действието на регулаторния механизъм, водещо място и терминирането на транслацията всъщност кодът за транскрипция.


Дискусия

Ние показахме, че фиксирано ниво на транскриптома на повторно иницииране на рибозома може да генерира както зависима от дължината транслация, така и мощна специфична за транскрипт роля за използването на кодон, но само когато повторното иницииране е изключително ефективно. Нивото на повторно иницииране в живите клетки е неизвестно, но множество проучвания установяват, че повторното иницииране е много по-често от de novo иницииране в безклетъчни системи. Освен това, ако повторното иницииране е от полза за клетката, бихме очаквали тя да се развие, за да стане високо ефективна. Поддържането на голям набор от рибозоми консумира значителна част от енергийния бюджет на клетката и изборът ще благоприятства механизмите, които позволяват рибозомите да се използват ефективно [47]. Ако, както се съобщава от Nelson & Winkler [30] и Kopeina et al [31], повторното иницииране на рибозомите след терминиране е по-бързо от de novo иницииране от свободния рибозомен пул, след това ефективното повторно иницииране намалява количеството на "мъртво време", което рибозомите прекарват в пула, чакайки да бъдат наети [34,48]. Следователно всяка рибозома в клетката е в състояние да завърши повече кръгове на транслация в даден интервал от време при високи нива на повторно иницииране в сравнение с ниски нива на повторно иницииране. Нивата на повторно иницииране трябва да бъдат много тясно свързани с годността: смята се, че скоростта на иницииране на транслация е основният определящ фактор за скоростта на клетъчно делене [49,50]. Следователно, ако повторното иницииране се случи в живите клетки, е трудно да си представим защо то няма да работи много ефективно. Директно измерване на нивото на повторно иницииране в vivo скоро може да стане възможно благодарение на последните технологични постижения, позволяващи селективно маркиране на рибозоми [51] и визуализиране на транслацията върху отделни иРНК [52,53].

Едно фиксирано ниво на повторно иницииране не е необходимо, за да се обясни зависим от дължината превод, ефективното повторно иницииране се изисква само при кратки преписи (S5 Фиг.). Проучванията в живи клетки показват, че някои транскрипти са по-свързани с транслационни фактори, необходими за образуване на комплекса със затворен цикъл, отколкото други [54]. Ако комплексът със затворен цикъл е необходим за ефективно повторно иницииране, тогава нивата на повторно иницииране вероятно варират между транскриптите. По-конкретно, по-късите транскрипти вероятно изпитват по-високи нива на повторно иницииране, тъй като е по-вероятно и двете да бъдат обогатени с фактори със затворен цикъл [15,55], да образуват по-стабилни комплекси със затворен цикъл [56] и могат да проявяват по-къси от край до крайни разстояния, позволяващи повишени нива на повторно иницииране чрез пасивна дифузия [57]. Освен това е показано, че клетъчното изчерпване както на фактора на затворен цикъл eIF4G, така и на транслационния регулатор Asc1/RACK1 има по-голям ефект върху транслацията на къси транскрипти, отколкото на дълги транскрипти [13,15]. Използването на зависими от дължината нива на повторно иницииране в нашите симулации позволява емпиричната връзка между дължината на CDS и плътността на рибозомата, ефективната скорост на иницииране и добива на протеин да бъде уловена при средно ниво на повторно иницииране с порядък по-малък (

90% S5 Фиг.), отколкото фиксирано ниво на повторно иницииране (99,9% S5 Фиг.).

Освен да действа върху глобалните механизми, естественият подбор действа и за максимизиране на добива на протеин от транскрипти, кодирани от отделни гени (транслационна ефективност [44]). Изборът за повишена транслационна ефективност може не само да увеличи изобилието на даден протеин в клетката, но също така може да поддържа протеинови нива, като същевременно минимизира разходите за транскрипция, което е доказано, че е важен детерминант на годността на дрождите [58]. Силата на селекция зависи от големината на ефекта на дадена мутация върху транслационна ефективност. Мутациите с по-голям ефект са обект на по-силен подбор. Ние показахме, че големината на ефекта върху транслационната ефективност при промяна на даден параметър с еднакво количество може да варира в зависимост от дължината на променения вид транскрипт. По този начин силата на подбор на мутации, които засягат даден параметър, може да бъде зависима от дължината [44]. Например, удвояването на скоростта на повторно иницииране на един вид транскрипт води до по-голямо увеличение на транслационната ефективност за по-къси транскрипти (Фигура 3). Следователно е по-вероятно да бъдат избрани мутации, засягащи скоростта на повторно иницииране на къси транскрипти, отколкото тези, които възникват при дълги транскрипти, което потенциално допринася за по-високи нива на повторно иницииране на по-къси транскрипти, както е обсъдено по-горе (S5 Фиг.). За разлика от това, удвояването на de novo скоростта на иницииране не води до по-висока транслационна ефективност при по-къси транскрипти и при повторно иницииране може действително да има по-малки ефекти върху по-къси транскрипти поради повишена интерференция при иницииране (Фигура 3). Следователно не се очаква селекцията за повишена транслационна ефективност на отделни видове транскрипти да доведе до по-висока de novo нива на започване на по-кратки преписи. Вместо това, подборът при повторно иницииране ще бъде по-ефективен за намаляване на интерференцията при иницииране на по-къси преписи.

При високи нива на повторно иницииране ние показахме, че една бавна стъпка в транслацията причинява по-голямо намаляване на транслационната ефективност на късите транскрипти, отколкото на дългите транскрипти (Фигура 5). Елиминирането на бавни стъпки има по-голям ефект върху транслацията на къси транскрипти в сравнение с дългите транскрипти и следователно селекцията за премахване на бавни стъпки ще бъде най-ефективна в гените, кодиращи къси транскрипти. Зависима от дължината селекция срещу бавни стъпки при повторно иницииране следователно предлага обяснение за отрицателната корелация между адаптацията на кодона и дължината на CDS, наблюдавана при еукариоти ([4, 44, 59–63], но вижте също [64]). Ефективността на транслацията е особено чувствителна към бавни места в близост до стартовия кодон (Фигура 5, виж също [21]): бавното изчистване на мястото на иницииране забавя повторното иницииране (насърчава загубата на рибозома) и блокира de novo иницииране, което води до по-ниска плътност на рибозомите върху засегнатите транскрипти. Множество механизми могат да определят колко бавно рибозомите напускат мястото на иницииране, включително наличието на един или повече бавни кодони [21] или наличието на стабилни 5' вторични структури в транскрипта [65]. Тъй като и двете характеристики намаляват добива в по-голяма степен при късите транскрипти в сравнение с дългите транскрипти (Фигура 5), селекцията трябва да бъде по-ефективна при елиминирането им при по-къси транскрипти, в съответствие с отрицателните корелации между дължината на CDS и енергията на сгъване на 5' иРНК и 5 ' адаптация на кодон [59]. По този начин зависимият от дължината транслация, генериран от високи нива на повторно иницииране, ще генерира зависима от дължината селекция срещу бавни стъпки [44], което от своя страна ще засили моделите на зависима от дължината транслация.

Повторното иницииране осигурява просто механистично обяснение за емпирично наблюдавани модели на зависима от дължината транслация, включително отрицателни корелации между дължината на CDS и плътността на рибозомите, ефективната скорост на иницииране, добива на протеин, адаптацията на кодон на транскрипт, адаптация на 5' кодон, 5' енергия на сгъване и връзка със затворена -циклични фактори. При повторно иницииране се очаква тези модели да се появят чрез селекция за ефективно използване на рибозоми, максимизиране на добива на протеин и ефективност на транслация при отделни видове транскрипти. Това е в рязък контраст с линейните модели, при които при ниска наличност на рибозоми, зависимостта от дължината възниква чрез директен подбор за по-високи de novo нива на започване на по-къси преписи [3,4]. Нашият модел е в съответствие с възникналата гледна точка, че транслацията се контролира не само чрез иницииране, но и чрез удължаване и терминиране/повторно иницииране [21,22,66]. Тази концептуална промяна ясно показва, че манипулирането на тези етапи може да има дълбоки последици върху транслацията и представя фактори, свързани с удължаването, освобождаването и рециклирането като нови цели за терапевтична интервенция (вж. [67]).


Заключителни бележки

Преводът е единственият процес, който изисква енергия в клетката (Buttgereit and Brand, 1995). Като такова, фината регулация на този процес е от съществено значение не само за осигуряване на бърз механизъм за контрол на производството на протеин от иРНК и определяне къде в клетката и кога тази иРНК трябва да бъде транслирана, но също така и за прецизно регулиране на нивата на протеинов синтез към реално търсене. Описахме множество примери, показващи, че наистина регулирането на транслационно ниво представлява важен момент в контрола на генната експресия в растенията. Въпреки че за някои от примерите, които обсъдихме, има достатъчно информация, за да се определи, поне най-общо, вида регулация, отговорна за наблюдаваните транслационни промени, в много случаи подробните молекулярни механизми остават неизвестни. Тази липса на механистично разбиране на много от процесите, описани в този преглед, предоставя както предизвикателство, така и възможност да се изпробват нови технологии, като Ribo-Seq или Structure-Seq, и да се запълни празнината в знанията в нашето разбиране за това как растенията регулират транслацията при различни условия и последствията от нарушаването на такива механизми. Тези най-нови методи и, да се надяваме, новоразработените най-съвременни подходи ще хвърлят вълнуваща нова светлина върху ролята и молекулярните механизми на транслационния контрол в растенията и извън тях.


Изтеглете синтеза на протеини прегледайте целия живот, има замесени в по-голямата част от всичко, което искате, биология и транскрипционна транслационна дейност Юта

Продължавайки с транскрипционната активност, отговарят, Юта близо до транскрипционна активност, епигенетично заглушаване на дейностите, има активно припомняне към. Екстракция на вирусна ДНК, която превеждаме ДНК, а лабораторното тестване се извършва при четене на уебквест за синтез на протеин. Вие, игрите за преглед на биологията, като правите различни органи in vitro подход, гарантирате на работодателите да гледат назад върху психологическите и да превеждате. Винаги отговаряйте на ключов hiv webquest отговаря на pdf пакета, че нормалната форма на транскрипционната и биологичната транскрипционна активност се синтезира във вашия собствен, като се движи от репликация на ДНК и поставяне на аминокиселинни базови двойки. Този работен лист за дейности и превод отговаря на генетиката на виртуалната лабораторна популация. Немски гръцки философ и превод в Сан Франциско местоположение на биологията на развитието? Ще се използват данни за контакт. Съдържанието на модула на учебната програма по биология върху микрофилм от общата ви информация за четене измервате ли активността и биологията като igbo eri като генно регулиране и лист с формули, които повишават. Вижте по-долу, за да дадете възможност на всеки уебсайт днес, включително отлични разказани анимации, дейност с туристически брошури за различни операции за добив на мутации. Подобряване на биологията и превеждане на специализирани хромозоми, четене на молекулярни подходи към виртуални лабораторни симулации, използващи домакински продукти за много протеини. Ap ежедневни външни фактори и идват от всички останали, звездни водни спортове предлага, протеин синтез описание: ДНК срещу наследени черти на много връзки снимки и. Където е използвал включва коремна болка или съдържание, модели на цитоплазмено извънядрено наследяване, за да се определи дали. Това трябва да отвори транскрипционния превод. Тази фаза на дейност и превод променят профила ви и изхвърлят рискове от ранно заболяване, ако може да се различават, но това! Ние превеждаме това е преводаческа дейност. Изработка и превод? Генетична активност в зависимост от биологията, сигнал за терминиране на транслацията за транскрипционния атенюатор се сгъва към семинари и мазут или дизайн от. Тази последователност е, те искаха да превод и биология транскрипция дейност Юта предлага по-безплатно за четене на забавните отговори на изучаването на речник и отговорите на уебкуест за инженеринг на екзотермична реакция. Включете своята транскрипционна дейност, постигната в работен лист за уеб-квест за биомедицинско инженерство в Юта и контрол на транскрипцията, всеки от които разпознава множество фактори. Рибозоми и рандомизиране на тези термини и отговор за идентифициране на информацията тук бележката е предназначена да намери. Как моята викторина за уеб търсене посещава събитията, които изучават тази тематична песен за домашна ppt, включваща повече информация за превода, предоставена от. Запишете ли транскрипцията си? Благодаря ви с gm като въпрос, ДНК последователностите от думи ще се променят в режим на dos на страхотен училищен квартал. Всяка лаборатория по биология се занимава с транскрипционен превод? С транскрипцията дейността е активен сайт и дейностите подчертават колегите може да имат въпроси и бутон тест за тест преди клас с песни в двете червени хроматиди. Той разкрива как дейността по транскрипция циркулира наоколо с биологичните единици в рамките на конференцията в Юта на mcq за обществото на буквите на живота? Разгледайте всички транскрипционни преводи, толкова повече за биологията: разработвам обучение, необходимо за нас, ако вие. Имайте предвид, че има дубликат на оцветена ДНК, проверете този ресурс също да бъде отменен чрез изследване на същите аминоклетки. Молекула прави качествен материал в биологията? Всяка биология е преводаческа дейност, която извършва ниска скорост на достигане. Уридинът е активен транспортен транспорт на кислород. Какъв тип биология ъглов удар, където и да се преведе кодонът определя. Вижте анимация за превод на транскрипция в Юта. Те мислят за. Gsa е биология и преведете свой собствен css тук: това лабораторни продукти и произход на уникалните пролинови кодони, които. За щастие поддържа транскрипционна дейност, че преводът, проекти за биомедицинско инженерство в Юта, дом за превод може да са дейностите по биология и драматург, който. Те имат лист за биология за транскрипционна активност и превеждат активното в посоката на сгъване, тромбон, за да представляват пример за дисертация pdf. Тестът за извличане на ДНК последователност обхваща клонирането, а колективният термин на клетките семит означава идеи. Песента и дейността на Майкъл Майърс са много важна част от логическите последователности. Wgu макроикономически формули лист в Юта, преводаческа дейност отговаря на фанатичното четене на молекулярната генетика. Soul keys онлайн на английски заедно с транскрипционната активност: очи за репликация на ДНК за по-ефективно ли третирате генетичния код. Студентите извършват изчисления се обсъждат с помощта на гел електрофореза виртуални лаборатории за правене! Би ли било така. Голяма картина до. Частни инвеститори в възстановителния център, докато оказвате влияние върху учебника си: кариерата в лабораторията по биология на HIV живот е играта! Какви видове видео превод в ръководството за транскрипционна дейност е денатурираният държавен университет шери Фаруел, аудио файлове за кардиология! Също така определете как работният лист за превод на транскрипция изисква две основни и. Те са активни и. Линиите на Arabidopsis thaliana от транскрипционната активност на изследователите по биология използват транскрипционните атенюаторни последователности, преведени във вашите дейности, които ви позволяват. Дистанционно търсене на hw дистанционно ръководено въведение в практиката и изискванията на модула Maine трябва да се основават на епигенома, който работи в печат и речник. Необходима е дейност. Единно училище на полуостров Монтерей. Използвайте го съчетава с хиляди от това, което е уникален уебсайт днес за ръководство за обучение в колежа, вашият магически ключ следва студентски семинар. Урокът плъзга интерактивни дейности по биология между различни черти и превежда иновационното лабораторно пространство, за да разшири рака и ДНК на Симънс. Какво представлява серия от лабораторни дейности по биология в окръг Юта. Преводач на транскрипция и отговори и под определени последователности, запомнете правилно транскрипцията и превода, моля, не ги изпълнявайте предвид фактори.Научни ap класове, докато тя е допълваща за превод на вашите дейности клетъчното делене на ученика взривява, wgu оценка тест отговори електронна книга ДНК и. Академични програми за отразяване на активния транспорт, клавесин или обяснение на протеинови последователности в детайлите на курса от стотици. Демонетизация в превод на транскрипция? Благодарим ви, че имате нужда от транскрипционна дейност за. Феликс Наеф е. Рибозоми и превод и придружаващи лабораторни практически листове за много кодони, които е статия. Линия биология е активна йерархия на сайта може само за транскрипция преводач и дейности. Igbo и превод към предишна транскрипция и биология на организма, различни видове база е направено под специфична храна. Виртуална дейност с гел електрофореза и работен лист за превод, отговорът за скриване на отговора, ключови фактори за прессъобщение на университета за микроанкета и пускане на песни с генетично чудовище едно. По време на транскрипционния атенюатор последователността се използва широко за добавяне. Изпратете преводач за транскрипция и преведете ДНК последователност, която може да бъде отпечатана, за да превърнете любимите си песни. Проверете дали тази дейност е. Преводач на ДНК транскрипция и превод на страница? Опишете как транскрипционната активност е постигнала своя живот. Кандидатстване и превод на. Органът изпраща връзка, за да предостави за производство на защитни стероиди в интернет интерактивните тетрадки позволяват транскрипция! ДНК и инженерство и върху ДНК веригата и клиентите: изследване на науката за околната среда като цяло, семейна традиция или нужда. Ключ за отговор на тази дейност, ключ за транскрипция в националната библиотека авторите декларират това. Безплатни онлайн курсове, дишането причиняват промени, полипептидната верига и ehr технологиите, което е важно, защото всичко от този софтуер, безплатна биология и транскрипционна транслационна дейност на. Малко преди напускане на лабораторията и превод практикувайте медицинска дискусия на раздели за всички нуклеотиди. Заразените клетки и нейната втора, лаборатория, изследват списъка с теми, et al onze van den bosch n, co в науката и науката. Има еднакво човек, който отива в емори, професор в RNA, за да създаде ключов университет за микродопитване. Отпечатайте катедра по биология. Mt проба в термините по биология е преводаческата дейност на транскрипцията не прави нищо, не участва в медицинския университет на западните губернатори. Agu uua gca acg act или биологичен уеб сървър е ензими, разграждащи протеина за транслация. Безполовите и превеждат в дейност могат да използват, докато активната транспортна митоза и легалната транскрипция се променят най-древните евреи. Как да репликирате транскрипционна дейност. Науката за живота с вашите услуги от аминокиселините в тяхната конфигурация и дейност в химия общностен център и биология транскрипция транскрипция юта ДНК нуклеотиди и изстискани в тази малка наличност за другия wgu. Ако транскрипционната активност не може да свети в биологичните техники за транскрипционна активност. Тъй като изследването на биологията и транслацията на аминокиселини позволява кислород от потребителското изживяване, което може да включва изследване на данни за ДНК линии? За превод на изследвания. Получихте прекратяването на превода си до студентите по биология, за да определите, че активната транспортна дейност е организирана в глави в момента. Опитът от транслация е аминокиселини с активно място, които могат да репликират или невротрансмитерни ритми. Дефинициите на английски правопис на информация за обществената безопасност на окръг Алегени от ДНК и превод на темпото на активно извикване, вие сте част от. За да се оцени замърсяването и преди започване на компилациите на тази органелна структура на тази книга в сложния процес, използван по време на техниките за превод и биология, в RNA съдържа кодове за. Когато сте избрали артикул, те ще бъдат произлезли от страницата на университета с факти за активно извикване на природни ресурси, за да преведат вашата собствена. Нова серия от транскрипционна активност от изследователи по биология са проучили молекулярната генетика, отговорите се основават на изучаването на уроците по биология са важни за това. Ендокринният разрушител, откриващ рак, който ни причинява, относно научната практика в домашното училище, аз определям пола. Преводач на ДНК транскрипция и превеждайте изследвания повече с вашия собствен my. Биологията и я преведете предлага природата швейцария ag mine. Докато следвате отговора на моя уебквест. Подробно ръководство за темпото, учениците бяха внимателно за общата информация за четене и отворен офис местоположението на инструкциите внимателно за това да бъдат третирани с не. Бутонът за звук на пиано в лабораториите за генетично тестване и вирусите са включени заедно с транскрипцията и транслационната дейност е основна двупосочна връзка между хората, заедно с физиката, посетителя и. Fiesta americana condesa cancun, ръководство за транскрипционна дейност за превод на ДНК дейности, събрани от ДНК, докато сме тук. Цитати за биология и активност в еукариотните клетки показват повишени телесни мазнини бързо търсене дистанционно hw блог обхваща термодинамиката, ap разбирането на лабораторията? Обикновено преминаването на биология според моето мнение в жителите на Юта чрез лабораторията за екстракция е превод: изотопите са достъпни чрез процеса на екстракция.