Gündem

Mitokondriyal evrimi anımsatan mikrobiyal bir evlilik

0

Mikrobiyal yaşamın geniş çeşitliliğinde, çok sayıda simbiyoz örneği mevcuttur – farklı organizmaların birbirleriyle istikrarlı bir ilişki sürdürdüğü bir süreç. Bu tür etkileşimler genellikle, dahil olan bir veya daha fazla organizmaya bir tür fayda sağlar. Yazma Doğa, Graf ve diğerleri.1 mikroorganizmalar arasında ilgi çekici bir simbiyoz örneğinin keşfini aktarın. Bu bulgu, ökaryotik hücrelerde (çekirdek içerenler) bulunan enerji üreten organeller olan mitokondrinin evrimine yol açan süreç türlerine ışık tutabilir.

Bazı durumlarda, simbiyotik eşler, bir eşin diğer eşin hücresine endosimbiyoz adı verilen bir süreçle alınacağı şekilde entegre olabilirler (Şekil 1). Endosimbiyotik etkileşimler, Dünya’daki yaşamın tarihi boyunca önemli geçişleri mümkün kılmıştır. Bunun en iyi örneğinin, ilk ökaryotik hücreye neden olan etkileşim olduğu düşünülmektedir. Bu atadan kalma ökaryot, muhtemelen, Asgard archaea adı verilen bir grup tek hücreli organizmaya ait bir konakçı hücrenin bir endosimbiyozdan oluşmuştur.2,3 Proteobacteria filumuna ait bir tür bakteri hücresi aldı4. Ökaryotik hücrelerdeki mitokondri, bir zamanlar serbest yaşayan bu proteobakteriyel endosimmbiyonların doğrudan torunları olarak kabul edilir.

fig1

Şekil 1 | Organel evrimi. a, Ökaryotik hücreler, çekirdekli olanlar (çekirdek gösterilmemiştir), muhtemelen Asgard arkeal hücresi adı verilen tek hücreli bir konakçı türü olduğunda ortaya çıkmıştır.2,3 endosimbiyoz adı verilen bir süreçte bir proteobakteriyel hücre aldı4. Proteobacterium, tüm ökaryotların son ortak atasında mitokondriyal organelleri oluşturmak için gelişti. Oksijenin (O2) tüketilir ve elektronlar bir elektron taşıma zinciri (ETC) boyunca aktarılırken su oluşur, bir mitokondri ATP molekülleri şeklinde enerji üretir. bÖkaryotlar çeşitlendi ve siliatlar olarak adlandırılan organizmaların son ortak atası gibi yalnızca bazı soylar mitokondriyi korudu. c, Oksijensiz ortamlarda gelişmek için uyarlanmış bazı siliat soyları. Bu siliatların mitokondrileri, hidrojenozom adı verilen organellere dönüşmüştür. Anaerobik siliatlar, ATP’nin üretildiği ve hidrojen iyonlarının (H+) hidrojen oluşturmak için elektron kazanır (H2). Graf ve diğerleri.1 bir gammaproteobacterial endosymbiont ile anaerobik bir siliatın keşfini rapor edin. Bu bakterinin genomu, nitratı nitrojene (N2) anaerobik solunum kullanarak ve ATP’yi ana bilgisayara aktarmak. Bu bulgu, anaerobik kirpiklerin bir ETC kullanarak solunum yapma becerisini nasıl yeniden kazanabileceğini ortaya koyuyor. Bu özellikler, mitokondriyal evrimle ilişkili süreçlere benzer.

Graf ve meslektaşları, bir tür ökaryotik, tek hücreli mikrop olan bir siliatta yaşamayı keşfettikleri ilgi çekici bir bakteriyel endosymbiyonu anlatıyorlar. Bu tür organizmalar arasındaki ilişkiler nadir olmasa da, bu özel durum, mitokondriye neden olan endosimbiyoz türünün bazı ayırt edici özelliklerine sahiptir. Bu, solunum olarak bilinen enerji üreten süreçle ATP molekülleri biçiminde enerji üretimini içerir. Bu işlem ayrıca, ATP’nin konakçıya enerji sağlamak için endosymbiont’tan ihraç edilebileceği bir mekanizma ile bağlantılıdır.

Bugün Dünya’daki çevresel koşullar ve atmosferik kompozisyon, bu gezegende dört milyar yıldan daha uzun bir süre önce yaşamın ilk ortaya çıktığı zamandan önemli ölçüde farklıdır. Yaklaşık 2,1 milyar yıl önce Büyük Oksidasyon Olayı olarak bilinen olay sırasında5atmosferde ve okyanus sularında biriken oksijen, Dünya’daki yaşamın seyri üzerinde önemli bir etkiye sahip olan bir gelişme. Oksijen, ondan yoksun ortamlarda gelişen çoğu organizma için toksiktir. Bununla birlikte, bazı mikroorganizmalar oksijenin kimyasal özelliklerinden yararlanmayı, onu enerji üreten yollarda bir elektron alıcısı olarak kullanmayı öğrendi. Aerobik solunum adı verilen bu tür oksijene bağımlı süreç, birçok anaerobik organizmanın oksijen olmadan hayatta kalmasını sağlayan eski kökenli oksijene bağımlı olmayan bir enerji metabolizması biçimi olan fermantasyondan çok daha fazla enerji verimlidir.

Ökaryotik hücreler muhtemelen Büyük Oksidasyon Olayından bir süre sonra ortaya çıktı.6ve aerobik solunum gerçekleştirme yetenekleri mitokondriyal endosmbiont aracılığıyla edinildi. Bunun sağladığı verimli enerji üretimi kapasitesinin ökaryotik evrim sırasında seçici avantajlar sağladığı düşünülmektedir, ancak örneğin hücresel karmaşıklığın ortaya çıkışına kesin katkı tartışılmaktadır.7.

Güncel kanıt6 erken ökaryot evriminin ve çeşitlenmesinin oksijenin mevcut olduğu koşullar altında gerçekleştiğini gösterir. Bununla birlikte, bazı ökaryot grupları yine de oksijensiz ortamlarda gelişir. Bu anaerobik ökaryotların, aerobik mitokondri taşıyan atalardan evrimleştiği düşünülmektedir.

Oksijenin yokluğunda, anaerobik ökaryotlar, onları aerobik ökaryotlardan daha katı enerji rejimlerine tabi tutan fermantasyona dayalı bir metabolizma kullanır. Bu tür bir metabolizma, çeşitli anaerobik ökaryot türlerinde ortaya çıkmıştır ve mitokondrinin hidrojenozom adı verilen organellere evrimi ile ilişkilidir.8. Tüm hidrojenozomlar, bir dereceye kadar, aerobik solunum için mitokondriyal yollarını kaybettiler ve enerji üretme yollarının bir son ürünü olarak karbondioksit ve su yerine hidrojen üretirler. Siliatlar, oksijeni tükenmiş ortamlara uyum sağlamada son derece etkilidir ve mitokondriden hidrojenozoma geçişler, bu organizma grubunda bağımsız olarak birkaç kez meydana gelmiştir.9.

Graf ve meslektaşları, İsviçre’deki Zug Gölü’nün en derin katmanlarında bulunan Plagiopylea sınıfına ait anaerobik bir siliatı araştırdılar. Bu ortam oksijenden yoksundur ve nispeten yüksek seviyelerde nitrat içerir. Mikroskopi kullanılarak yapılan bir ilk değerlendirme, alışılmadık bir şekilde, bu siliatların, anaerobik siliatlarda bulunan daha tipik endosmbiyont türü olan metan üreten bir archaeal endosymbiont yerine (Gamma-proteobacteria sınıfına ait) bir bakteriyel endosymbiont’a sahip olduğunu ortaya çıkardı.

Göl suyu örnekleri için DNA dizileme verileri, siliat hücrelerin hidrojenozomlara sahip olduğunu gösteren genlerin varlığını ortaya çıkardı. Dahası, dizileme verileri, bakteriyel endosimbiyomların bir elektron taşıma zincirine sahip olduğunu gösterir – solunum için oksidatif fosforilasyon adı verilen bir işlemle enerji üretilmesini sağlayan bir protein kompleksleri koleksiyonu. Graf ve diğerleri. Bu zincirdeki elektron alıcısının aerobik organizmalar tarafından kullanılan oksijen yerine nitrat olduğunu öne sürün. Bu modelle tutarlı olarak, yazarlar, siliatların bulunduğu göl suyu örneklerinde denitrifikasyon oranlarının (nitratı nitrojene dönüştüren mikrobiyal süreç), siliatların çıkarıldığı örneklerden daha yüksek olduğunu bildirmişlerdir.

Graf ve meslektaşları tarafından tanımlanan endosymbiont genomu, yalnızca 310 protein kodlayan gen içeren, mikrobiyal ökaryotların çoğu endosimmbiyonunun genomlarından çok daha küçüktür. Yazarlar, ATP için potansiyel bir taşıyıcı proteini kodlayan bir gen belirlediler ve bu genin, ATP’yi endosymbiont’tan kendi ev sahibine ihraç etmek için kullanıldığını ve siliatın, nitratı ‘soluyarak’ enerji üretimi için endosimmbionu kullanmasını sağladığını öne sürdüler. Bu bulgu, mitokondriyal kökenli organelleri (hidrojenozomlar) tutan bir ökaryota (bir elektron alıcısı olarak oksijen yerine nitrat kullanmakla birlikte) solunum kapasitesine katkıda bulunan endosimmbionun eşsiz bir örneğini temsil etmektedir – atalarından kalma versiyonları bir zamanlar solunum gerçekleştirmiştir fonksiyonlar.

Şaşırtıcı bir şekilde, Graf ve meslektaşları tarafından keşfedilen hücresel ortaklık ile ökaryotlarda mitokondrinin evrimi arasında birkaç paralellik kurulabilir. Her iki durumda da solunum kapasitesi, bir proteobakteriyel endosimbiyonun metabolik entegrasyonu yoluyla anaerobik bir konakçı hücre tarafından kazanılmıştır ve simbiont ve konakçı hücre arasındaki enerji alışverişi için mekanizmalar tanımlanabilir. Dahası, mitokondriyal genomların Graf ve meslektaşları tarafından gözlemlenen endosymbiont genomundan çok daha küçük olmasına veya tamamen kaybolmasına (birkaç hidrojenozomda olduğu gibi) rağmen, endosymbiont genomunda önemli bir azalma gözlemlenir.10).

Bu büyüleyici benzerliklere rağmen, dikkate değer farklılıklar da vardır. Mitokondriyal endosimbiyoz, modern bir ökaryotik hücreden ziyade, arka planda bir konakçı hücre oluşturan çok daha eski bir olaydı. Mitokondri, şimdi orijinal hallerinden indirgenmiş veya hatta günümüzün bazı ökaryotlarından kaybolmuş olsa bile11, ökaryotik hücrelerin ayrılmaz bir parçası haline geldi. Orijinal mitokondriyal endosymbiont’tan miras alınan genler, genellikle nükleer genoma yeniden hedeflendi ve bu genlerin kodladığı bazı proteinler, hücre boyunca çeşitli işlevleri benimsedi. Araştırılan siliatın bakteriyel endosimbiyomları için benzer bir entegrasyon seviyesi olası değildir.

Bununla birlikte, konakçı ve endosimmbiont arasında genlerin herhangi bir yer değiştirmesi veya yeniden kullanılması olup olmadığını ve siliatın hidrojenozomlarında ATP üretimi gibi tipik bir mitokondriyal fonksiyonun ne ölçüde değiştirildiğini veya korunduğunu incelemek ilginç olacaktır. Graf ve meslektaşları tarafından tanımlanan ATP taşıyıcısının ATP’yi siliat konağa aktarabildiğini gösteren kanıt, önerilen simbiyotik etkileşimi doğrulamaya yardımcı olacaktır. Mikrobiyal dünyanın yeterince araştırılmamış kısımlarında benzer şekilde şaşırtıcı simbiyotik etkileşimlerin daha fazla keşfedilmesi ve araştırılması, kesinlikle gelecek için heyecan verici bir olasılıktır.

Profesör

Dünyadaki En Büyük Parlayan Köpekbalığı Türlerini Bulduk

Previous article

Hareli kaynaklı doğrusal olmama ile Van der Waals heteroyapılı polaritonlar

Next article

You may also like

Comments

Comments are closed.

More in Gündem