Все живые организмы на Земле, от бактерий до человека, ведут свою родословную от единого предка, жившего около четырех миллиардов лет назад. Ученые называют этот гипотетический организм «последним универсальным общим предком», или LUCA. Он представляет собой самую раннюю форму жизни, которую можно изучать с помощью современных методов эволюционной биологии.
Исследования показывают, что у LUCA уже были многие черты, свойственные современной жизни – например, клеточные мембраны для защиты внутреннего содержимого и генетическая информация, хранящаяся в ДНК. Но поскольку эти фундаментальные механизмы уже существовали, для понимания самого момента зарождения жизни ученым необходимо заглянуть еще глубже в прошлое – в эпоху, предшествующую появлению этого общего предка.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Cell Genomics, ученые Аарон Голдман, Грег Фурнье и Бетюль Качар описали способ изучения этого раннего периода эволюции. Команда сосредоточилась на особой группе генов, называемых «универсальными паралогами», которые сохранили свидетельства биологических изменений, произошедших задолго до LUCA. «Хотя последний универсальный общий предок – это самый древний организм, который мы можем изучать, – говорит Голдман, – некоторые гены в его геноме были намного старше».
Чтобы понять, что такое паралоги, можно взглянуть на геном человека. Наша ДНК содержит восемь различных генов гемоглобина – все они производят белки, переносящие кислород. Эти гены произошли от одного предкового гена, существовавшего около 800 миллионов лет назад. Со временем случайные ошибки при копировании создали дополнительные версии гена, и каждая копия постепенно приобрела свою собственную, более специализированную роль. Такие группы родственных генов в одном геноме и называются паралогами.
Универсальные паралоги встречаются гораздо реже. Эти семейства генов присутствуют как минимум в двух копиях в геномах почти всех живых существ. Их повсеместное распространение говорит о том, что исходное удвоение гена произошло еще до появления LUCA. Затем эти дублированные гены передавались из поколения в поколение и сохранились в живых организмах до наших дней. Именно поэтому они являются важнейшим, хотя и часто упускаемым из виду ресурсом для изучения самой ранней истории жизни.
«Хотя мы знаем очень мало универсальных паралогов, – отмечает Голдман, – они могут дать нам много информации о том, какой была жизнь до времен последнего универсального общего предка». Этот подход становится все более практичным благодаря новым методам на основе искусственного интеллекта, которые облегчают детальный анализ древних генетических последовательностей.
Проанализировав все известные на сегодня универсальные паралоги, исследователи обнаружили поразительную закономерность. Каждый из этих древнейших генов играет роль либо в синтезе белков, либо в перемещении молекул через клеточную мембрану. Этот вывод позволяет предположить, что производство белков и мембранный транспорт были одними из первых биологических функций, которые эволюционировали на заре жизни.
Более того, ученые могут реконструировать древние формы этих генов. В одной из работ лаборатории Голдмана команда воссоздала белок, который производился предковой версией гена из семейства универсальных паралогов. Оказалось, что даже этот упрощенный древний белок все еще способен прикрепляться к клеточным мембранам и взаимодействовать с механизмами синтеза других белков. Вероятно, он помогал первым белковым молекулам закрепляться в примитивных мембранах, проливая свет на устройство самых первых клеток.
Авторы надеются, что дальнейшее развитие вычислительных инструментов позволит обнаружить новые семейства универсальных паралогов. «Следуя за универсальными паралогами, мы можем связать самые ранние шаги жизни на Земле с инструментами современной науки, – заключает Бетюль Качар. – Они дают нам шанс превратить самые глубокие загадки эволюции в открытия, которые мы можем проверить». Конечная цель – построить более четкую картину эволюции до LUCA и понять, как зародилась жизнь, которую мы знаем.
