К.С. Мережковский и происхождение эукариотической клетки: 111 лет теории симбиогенеза
Автор: Проворов Н.А.
Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology
Рубрика: Классики биологической науки
Статья в выпуске: 5 т.51, 2016 года.
Бесплатный доступ
Теория симбиогенеза, предложенная 111 лет назад К.С. Мережковским, постулировала возникновение растений посредством интеграции фототрофных микроорганизмов в клетки гетеротрофных хозяев. К настоящему времени стало очевидным, что эта теория может быть использована для описания чрезвычайно широкого круга эволюционных процессов, происходящих в системах кооперативной адаптации. Нами предложено новое определение симбиогенеза как многоэтапного процесса преобразования надвидового комплекса в целостный организм (холобионт), основанного на формировании партнерами единой системы наследственности. Эта система возникает при переходе взаимодействующих организмов от факультативного к облигатному симбиозу и эволюционирует от состояния функциональной целостности, основанной на сигнальных взаимодействиях партнеров (симбиогеном), к структурной целостности, основанной на их обмене генами (хологеном). Связь предложенного подхода с исходной теорией К.С. Мережковского показана на материале статьи «Природа и происхождение хроматофоров в царстве растений» (C. Mereschkowsky. 1905. Über Natur und Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche. Biologisches Centralblatt. 25: 593-604). Нами проанализировано соотношение традиционной аргументации симбиогенеза (генетическая непрерывность органелл, основанная на их вертикальной передаче при размножении хозяев) с его современной аргументацией, которую использует предложенная Л. Маргулис теория серийных эндосимбиозов (ТСЭ): а) наличие в органеллах рудиментарных геномов; б) филогенетическое родство органелл со свободноживущими и симбиотическими микроорганизмами; в) идентификация переходных форм, связывающих свободноживущие бактерии и органеллы. Современные версии ТСЭ предполагают, что внедрение аэробных α-протеобактерий в анаэробные археи привело к возникновению эукариот, которые далее эволюционировали посредством рекрутирования в структуру клетки дополнительных эндосимбионтов, включая фототрофные цианобактерии и вирусы. Формами архей, близкими к общему предку эукариот, являются недавно открытые хемотрофные локиархеоты ( Lokiarchaeota ), клетки которых обладают рядом эукариотических черт, включая актиновый цитоскелет и способность к эндоцитозу. Убедительные доказательства в пользу ТСЭ получены при изучении цианелл (фототрофные симбионты простейших, совмещающие свойства свободноживущих цианобактерий и пластид), а также эндоцитобионтов насекомых с глубоко редуцированными геномами (менее 200 т.п.н.), которые, в отличие от митохондрий и пластид, сохранили способность самостоятельно осуществлять основные матричные процессы - репликацию, транскрипцию, трансляцию. Одно из интригующих направлений развития ТСЭ - анализ возникновения ядра и хромосом, которое может быть связано с внедрением сложно организованных «гигантских» ДНК-содержащих вирусов в анцестральные клеточные формы, обладавшие РНК-геномами (гипотеза вирусного эукариогенеза).
Теория симбиогенеза, эволюция бактериального генома, пластиды и митохондрии, происхождение эукариотической клетки, холобионт, хологеном и симбиогеном, теория серийных эндосимбиозов
Короткий адрес: https://sciup.org/142213979
IDR: 142213979 | УДК: 573.22:581.55 | DOI: 10.15389/agrobiology.2016.5.746rus
K.S. Merezhkovsky and the origin of the eukaryotic cell: 111 years of symbiogenesis theory
Theory of symbiogenesis proposed 111 years ago by K.S. Mereschkowsky, postulated the emergence of plants through the integration of phototrophic microbes into heterotrophic host cells. To date, it has become apparent that this theory can be used to describe an extremely wide range of evolutionary processes induced in the systems of cooperative adaptation. We have proposed a new definition of symbiogenesis as of a multi-stage process converting the symbiotic system into the entire organism (holobiont), based on the formation of an integral partners' system of heredity. This system emerges in the course of transition of partners from facultative to obligatory symbiosis and evolves from the functional integrity, based on the signaling partners' interactions (symbiogenome) to the structural integrity, based on the exchange of partners' genes (hologenome). Trade-off between the proposed approach with the symbiogenesis theory of K.S. Mereschkowsky is shown using the material of paper «The nature and origin of chromatophores in the plant kingdom» (C. Mereschkowsky 1905. Über Natur und Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche. Biologisches Centralblatt 25: 593-604). We analyzed the relationship of traditional argumentation of symbiogenesis (genetic continuity of the cellular organelles based on their transmission in the host reproduction) with its current argumentation, used by the Theory of Serial Endosymbioses (TSE) proposed by L. Margulis: a) the presence of rudimental organelle genomes; b) phylogenetic kinship of organelles with the free-living and symbiotic microorganisms; c) identification of the transitional cellular forms linking the free-living bacteria and organelles. Modern versions of TSE suggest that the introduction of aerobic a-proteobacteria into anaerobic archaea gave rise to eukaryotes, which further evolved through the recruiting into their cellular structures of additional endosymbionts, including phototrophic cyanobacteria and viruses. The forms of archaea, close to the common ancestor of eukaryotes, are represented by the newly discovered chemotrophic Lokiarchaeota which cells are characterized by a number of eukaryotic features, including the actin cytoskeleton and the ability for endocytosis. Convincing evidence in favor of TSE was obtained in the study of cyanelles (phototrophic symbionts of protozoa, combining the properties of free-living cyanobacteria and plastids), as well as insects' endocytobionts with the deeply reduced genome (less than 200 kb), which, in contrast to mitochondria and plastids, retained the ability to implement independently the basic template processes - replication, transcription, translation. One of the intriguing destinations of modern TSE is the analysis of the emergence of the nucleus and chromosomes, which may be associated with the introduction of highly organized «giant» DNA-viruses into ancestral cellular forms having RNA genomes (the hypothesis of viral eukaryogenesis).
Список литературы К.С. Мережковский и происхождение эукариотической клетки: 111 лет теории симбиогенеза
- Mereschkowsky C. Uber Natur und Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche. Biol. Centralbl., 1905, 25: 593-604 (addendum in 25: 689-691).
- Martin W., Kowallik K.V. Annotated English translation of Mereschkowsky's 1905 paper «Uber Natur und Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche». Eur. J. Phycol., 1999, 34: 287-295.
- Famintzin A.S., Baranetzky O.V. Zur Entwickelungsgeschichte der Gonidien und Zoosporenbildung der Flechten. Mémoires de l'Académie imp. des sciences de St.-Pétersbourg, 7 serié, 1867, 11: 1-35.
- Фаминцын А.С. О роли симбиоза в эволюции организмов. Записки Императорской академии наук, физ.-мат. отд., cерия 8, 1907, 20: 1-14.
- Read C.R. Parasitism and symbiology. 1st edition. NY, 1970.
- de Bary A. Uber Symbiose. Versammlung deutscher Naturforscher und Aerzte in Cassel, 1878, 51: 121-126.
- Проворов Н.А. Антон де Бари (Anton de Bary). Сельскохозяйственная биология, 2014, 3: 113-126 ( ) DOI: 10.15389/agrobiology.2014.3.113rus
- Тихонович И.А., Проворов Н.А. Развитие подходов симбиогенетики для изучения изменчивости и наследственности надвидовых систем. Генетика, 2012, 48: 437-450.
- Мережковский К.С. Теория двух плазм как основа симбиогенезиса, нового учения о происхождении организмов. Казань, 1909.
- Mereschkowsky C. Theorie der zwei Plasmaarten als Grundlage der Symbiogenesis, einer neuen Lehre von der Entstehung der Organismen. Biol. Centralbl., 1910, 30: 278-288.
- Nageli C. Blaschenformige Gebilde im Inhalte der Pflanzenzelle. Z. Wiss. Bot., 1846, 3/4: 94-128.
- Schimper A.F.W. Uber die Entwickelung der Chlorophyllkorner und Farbkorper. Bot. Zeit., 1883, 41: 105-113.
- Schimper A.F.W. Untersuchungen uber die Chlorophyllkorner und die ihnen homologen Gebilde. Jahrb. Wiss. Bot., 1885, 16: 1-247.
- Schmitz F. Die Chromatophoren der Algen. Vergleichende Untersuchungen uber Bau und Entwicklung der Chlorophyllkorper und analogen Farbstoffkorper der Algen. Verhandlungen des Naturwissenschaftlichen Vereins der Preussischen Rheinlande und Westfalen, 1883, 40: 1-180.
- Rumpho M.E., Worful J.M., Lee J. Horizontal gene transfer of the algal nuclear gene psbO to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica. PNAS USA, 2008, 105: 17867-17871 ( ) DOI: 10.1073/pnas.0804968105
- Hoxtermann E. Konstantin S. Merezkovskij und die Symbiogenesetheorie der Zellevolution. In: Bakterienlicht und Wurzelpilz/A. Geus (ed.). Marburg, 1998: 11-29.
- Gross J., Bhattacharya D. Mitochondrial and plastid evolution in eukaryotes: an outsiders' perspective. Nat. Rev. Genet., 2009, 10: 495-505 ( ) DOI: 10.1038/nrg2610
- Wallin I.E. Symbionticism and the origin of species. London, 1927.
- Wilson E.B. The сell in development and heredity. 3d edition. NY, 1928.
- Chatton E. Pansporella perplexa. Réflexions sur la biologie et la phylogenie des protozoaires. Ann. Sci. Nat. Zool. 10è serie, 1923, 7: 1-84.
- Захаров-Гезехус И.А. Цитоплазматическая наследственность. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2014, 18: 93-102.
- Sagan L. On the origin of mitosing cells. J. Theor. Biol., 1967, 14: 225-274.
- Маргулис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М., 1983.
- Козо-Полянский Б.М. Новый принцип биологии. Очерк теории симбиогенеза. Л.-М., 1924.
- Smith D.R., Lee R.W. A plastid without a genome: evidence from the nonphotosynthetic green algal genus Polytomella. Plant Physiol., 2014, 164: 1812-1819 ( ) DOI: 10.1104/pp.113.233718
- Rizotti M. Non-symbiotic origin of locomotory organelles. In: Symbiosis: mechanisms and model systems/J. Seckbach (ed.). Dordrecht, Boston, London, 2002: 99-110.
- Gabaldón T., Snel B., van Zimmeren F., Hemrika W., Tabak H., Huynen M.A. Origin and evolution of the peroxisomal proteome. Biol. Direct., 2006, 1: 8 ( ) DOI: 10.1186/1745-6150-1-8
- Rogers M.B., Patron N.J., Keeling P.J. Horizontal transfer of a eukaryotic plastid-targeted protein gene to cyanobacteria. BMC Biol., 2007, 5: 26 ( ) DOI: 10.1186/1741-7007-5-26
- Price D.C., Chan C.X., Yoon H.S. et al. Cyanophora paradoxa genome elucidates origin of photosynthesis in algae and plants. Science, 2012, 335: 843-847 ( ) DOI: 10.1126/science.1213561
- Douglas A.E. The molecular basis of bacterial-insect symbiosis. J. Mol. Biol., 2014, 426: 3830-3837 ( ) DOI: 10.1016/j.jmb.2014.04.005
- Spang A., Saw J.H., Jørgensen S.L., Zaremba-Niedzwiedzka K., Martijn J., Lind A.E., van Eijk R., Schleper C., Guy L., Ettema T.J. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature, 2015, 521: 173-179 ( ) DOI: 10.1038/nature14447
- Guy L., Ettema T.J. The archaeal TACK superphylum and the origin of eukaryotes. Trends in Microbiol., 2011, 19: 580-587 ( ) DOI: 10.1016/j.tim.2011.09.002
- Margulis L., Sagan D. Acquiring genomes. A theory of the origins of species. NY, 2002.
- Zilber-Rosenberg I., Rosenberg E. Role of microorganisms in the evolution of animals and plants: the hologenome theory of evolution. FEMS Microbiol. Rev., 2008, 32: 723-735 ( ) DOI: 10.1111/j.1574-6976.2008.00123.x
- Проворов Н.А., Тихонович И.А. Надвидовые генетические системы. Журнал общей биологии, 2014, 75: 247-260.
- Forterre P. Three RNA cells for ribosomal lineages and three DNA viruses to replicate their genomes: a hypothesis for the origin of cellular domain. PNAS USA, 2006, 103: 3669-3674 ( ) DOI: 10.1073/pnas.0510333103
- Witzany G. The viral origins of telomeres and telomerases and their important role in eukaryogenesis and genome maintenance. Biosemiotics, 2008, 1: 191-206 ( ) DOI: 10.1007/s12304-008-9018-0
- Di Giulio M. The universal ancestor and the ancestors of Archaea and Bacteria were anaerobes whereas the ancestor of the Eukarya domain was an aerobe. J. Evol. Biol., 2007, 20: 543-548 ( ) DOI: 10.1111/j.1420-9101.2006.01259.x