Каждый живой организм на Земле ведёт свою родословную к единому общему предку, который существовал примерно четыре миллиарда лет назад. Этот древнейший организм, известный как последний универсальный общий предок, считается самой ранней формой жизни, которую можно изучать с помощью современных эволюционных методов.

Следы древней жизни

Исследования показывают, что многие ключевые черты современной жизни уже были сформированы в то время: клетки обладали мембранами, а генетическая информация хранилась в ДНК. Поскольку эти важнейшие признаки уже присутствовали у последнего универсального предка, учёным, стремящимся понять происхождение жизни, приходится обращаться к ещё более ранним этапам эволюции — к событиям, предшествовавшим появлению этого предка.

Новый взгляд на древние гены

В статье, опубликованной в журнале Cell Genomics, исследователи Аарон Голдман (Оберлинский колледж), Грег Фурнье (MIT) и Бетюль Качар (Университет Висконсин-Мэдисон) описывают подход к изучению этого раннего периода эволюции. Как отмечает Голдман, хотя последний универсальный общий предок — самый древний организм, который можно исследовать эволюционными методами, некоторые гены в его геноме гораздо старше самого предка.

Учёные сосредоточили внимание на особой группе генов — универсальных паралогах. Эти гены несут в себе информацию о биологических изменениях, произошедших до появления последнего универсального предка.

Что такое паралоги?

Паралоги — это родственные гены, которые встречаются в нескольких копиях в одном геноме. Например, у человека в ДНК есть восемь различных генов гемоглобина, все они кодируют белки, переносящие кислород в крови. Все эти гены произошли от одного общего предка — гена-глобина, существовавшего около 800 миллионов лет назад. Со временем ошибки копирования приводили к появлению дополнительных копий, каждая из которых постепенно приобретала свою специализированную функцию.

Универсальные паралоги встречаются гораздо реже. Эти семейства генов присутствуют как минимум в двух копиях в геномах почти всех живых организмов. Их широкое распространение говорит о том, что исходное удвоение гена произошло ещё до появления последнего универсального предка, а дублированные гены передавались через бесчисленные поколения и до сих пор встречаются у современных организмов.

Значение универсальных паралогов

Благодаря такому глубокому эволюционному происхождению, универсальные паралоги считаются важным, но часто недооценённым ресурсом для изучения самой ранней истории жизни на Земле. Современные методы искусственного интеллекта и специализированное оборудование позволяют детально анализировать древние генетические паттерны, делая этот подход всё более практичным.

Хотя известных универсальных паралогов немного, они могут дать ценную информацию о том, какой была жизнь до появления последнего универсального предка. Как отмечает Фурнье, история этих генов — возможно, единственный источник сведений о самых ранних клеточных линиях, поэтому важно максимально тщательно извлекать из них знания.

Реконструкция древних белков

В своём анализе Голдман, Фурнье и Качар рассмотрели все известные универсальные паралоги. Каждый из этих генов участвует либо в синтезе белков, либо в транспортировке молекул через клеточные мембраны. Это указывает на то, что синтез белка и мембранный транспорт были одними из первых биологических функций, появившихся в ходе эволюции.

Учёные также подчёркивают важность реконструкции древних форм этих генов. В одном из исследований лаборатории Голдмана была изучена группа универсальных паралогов, участвующих во внедрении ферментов и других белков в клеточные мембраны. Используя методы эволюционной и вычислительной биологии, исследователи реконструировали белок, который производился исходным древним геном.

Результаты показали, что этот более простой, древний белок всё ещё мог прикрепляться к клеточным мембранам и взаимодействовать с механизмами синтеза белка. Вероятно, он помогал ранним белкам встраиваться в примитивные мембраны, что даёт представление о том, как могли функционировать самые первые клетки.

Перспективы дальнейших исследований

Авторы надеются, что развитие вычислительных инструментов позволит выявить дополнительные семейства универсальных паралогов и более подробно изучить их древних предков. Как отмечает Качар, исследование универсальных паралогов позволяет связать самые ранние этапы жизни на Земле с инструментами современной науки. Это даёт шанс превратить глубочайшие неизвестности эволюции и биологии в открытия, которые можно проверить на практике. Цель учёных — построить более ясную картину эволюции до появления последнего универсального предка и пролить свет на то, как возникла жизнь в её современном виде.