Археи Asgard раскрывают тайну эволюции цитоскелета современных клеток

Как древние филаменты повлияли на современные эукариотические клетки? Автор: Saravanan Palani lab, made using BioRender

Как жизнь совершила скачок от простых микробных клеток к сложным структурированным клеткам, из которых состоят животные, растения и грибы? Новое исследование, опубликованное в журнале The EMBO Journal учеными из Индийского института науки (IISc), проливает свет на эту глубокую эволюционную загадку. Работа раскрывает, как цитоскелет — внутренний каркас клетки — мог эволюционировать из гораздо более простых структур у древних микроорганизмов.

Цитоскелет представляет собой динамическую сеть белковых филаментов, которая придает современным эукариотическим клеткам форму, обеспечивает их движение, помогает организовывать внутренние компоненты и контролирует деление клеток.

У людей и других сложных организмов эта сеть состоит из тонких актиновых филаментов, более толстых микротрубочек и промежуточных филаментов, формирующих сложные молекулярные машины, поддерживаемые множеством вспомогательных белков. Однако происхождение самих цитоскелетных белков уходит корнями в микробный мир.

Современная эволюционная биология указывает на микробов из группы Asgard archaea, обнаруженных в экстремальных условиях, таких как глубоководные отложения, как на ближайших живых родственников всех эукариот. Эти археи содержат белки, напоминающие те, что встречаются в цитоскелете современных эукариот, что указывает на промежуточный этап эволюции нынешних цитоскелетных сетей.

В новой работе ученые IISc объединились с исследователями из IISER Pune, NCBS и NISER, сосредоточившись на виде Asgard под названием Odinarchaeota yellowstonii (названном в честь скандинавского бога Одина), который был выделен из Йеллоустонского парка в США.

Они исследовали два белка, FtsZ1 и FtsZ2, из семейства FtsZ, которые являются древними родственниками тубулина и формируют строительные блоки микротрубочек в современных клетках.

С помощью биохимического анализа и криоэлектронной микроскопии команда обнаружила, что эти два белка ведут себя совершенно по-разному. OdinFtsZ1 образует изогнутые одиночные филаменты, похожие на кольца, формируемые FtsZ у бактерий во время деления клеток. OdinFtsZ2 собирается в спиральные кольца, напоминающие примитивные микротрубочкоподобные структуры.

Примечательно, что белки также по-разному прикрепляются к клеточной мембране: один напрямую через спиральный хвост, а другой с помощью адапторного белка. Это указывает на раннюю форму «разделения труда» среди структурных белков, предвосхищающую функциональную специализацию, наблюдаемую в современных цитоскелетах.

Сложность современного цитоскелета, вероятно, возникла благодаря дупликации генов, специализации и кооперативному взаимодействию между филаментными системами. Полученные данные показывают, что этот процесс мог начаться уже у архей Asgard. Эти два белка могут отражать ключевой момент, когда простые филаменты диверсифицировались в многофункциональные сети — критический шаг на пути к сложному внутреннему каркасу эукариотических клеток.

Теперь команда планирует культивировать археи Asgard в лаборатории, что позволит проводить прямые клеточные биологические эксперименты. Наблюдение за этими белками в живых клетках может дать беспрецедентное понимание того, как функционировали ранние цитоскелетные системы и как они подготовили почву для возникновения сложной жизни.

«Мы считаем, что эти белки сохранили снимок древнего перехода, — говорит Саравнан Палани, доцент кафедры биохимии IISc и ведущий автор исследования. — Они связывают нити истории между простейшими микробными филаментами и динамическими каркасами, поддерживающими все высшие организмы».

Дополнительная информация: Jayanti Kumari et al, Distinct filament morphology and membrane tethering features of the dual FtsZ paralogs in Odinarchaeota, The EMBO Journal (2025). DOI: 10.1038/s44318-025-00529-7

Источник: Indian Institute of Science