Эволюционные следствия полиплоидности у прокариот и происхождение митоза и мейоза

[macroevolution]

Предложена гипотеза, согласно которой эукариоты произошли от полиплоидных архей, обитавших в мелководных микробных сообществах раннего протерозоя, когда уровень свободного кислорода начал расти, но озонового экрана еще не было, что должно было резко повысить темп мутагенеза. Моделирование показывает, что в таких условиях полиплоидность у прокариот, не имеющих митоза, дает кратковременное преимущество, но в долгосрочной перспективе повышает риск вымирания из-за накопления рецессивных вредных мутаций. Полиплоидные микробы могли справляться с этой проблемой несколькими способами, постепенное совершенствование и комбинирование которых логически приводит к появлению сначала митоза, а затем мейоза и полового размножения. Новая гипотеза объясняет несколько ключевых особенностей эукариот, до сих пор остававшихся загадочными, в том числе множественные линейные хромосомы, высокий уровень генетической избыточности и быстрое появление новых генных семейств на заре эволюции эукариот, выявленное сравнительной геномикой. К числу фактов, согласующихся с гипотезой, относится недавно обнаруженная корреляция между полиплоидностью и наличием гистонов у архей.

Читать полностью на "Элементах"

Статья в Biology Direct с рецензиями Е. Кунина, А. Мулкиджаняна и U. Gophna (специалист по галоархеям).

Несколько дополнительных комментариев.
1) Началось всё с этого поста в ЖЖ.
2) Огромное спасибо wormball, с которым мы начинали эту работу (и хотя зашли в тупик, но был приобретен ценный опыт). Вторая, удачная попытка удалась благодаря alamar (соавтор).
3) По-моему, действительно удалось подобрать ключик к тайне происхождения эукариот и объяснить "взрывное" появление множества генных семейств в самом начале их эволюции.
4) В значительной мере это реакция на книгу "Логика случая", где говорится, что происхождение жизни (и эукариот тоже) было крайне маловероятной случайностью. Очень хотелось найти аргументы против :) Заключительный абзац статьи говорит об этом практически прямо:

"One testable and very specific prediction that follows from our hypothesis is that there must have been mass acquisition of new gene families (sets of paralogous genes) near the base of eukaryotic lineage, because the acquisition of mitosis by an amitotic polyploid microbe immediately removes segregational constraints that prohibit the independent evolution (including sub-functionalization and neo-functionalization) of the gene copies located on different chromosomes. Strikingly, comparative genomics appears to confirm this prediction [47]. The origin of eukaryotes from polyploid prokaryotes that acquired mitosis thus may account, at least partially, for the puzzling fact that “the characteristic eukaryotic complexity arose almost ‘ready made’, without any intermediate grades seen between the prokaryotic and eukaryotic levels of organization” [16]."

Из рецензии Кунина:
"The conclusions are quite interesting, and I particularly like the idea that multiple eukaryotic chromosomes evolved from the initially identical chromosomes of archaeal polyploid. The authors correctly note that this scenario is compatible with the burst of duplication at the onset of eukaryotes. To the best of my knowledge, this is a new idea, and I find it quite plausible and promising. So this paper is, in my opinion, a useful and potentially important contribution to the field of eukaryotic origins and evolution which is in a dire need of fresh ideas. "

Comments

[ardelfi.livejournal.com]

У меня два вопроса.

> постепенное совершенствование и комбинирование которых логически приводит к появлению сначала митоза, а затем мейоза и полового размножения

1. Это ведь сложные многостадийные процессы с кучей регуляторов, а в случае полового ещё и морфогенезом (из зиготы в организм). Что в этом смысле значит "логически приводит"?

2. Этот процесс возможно показать экспериментально?

[macroevolution.livejournal.com]

Что в этом смысле значит "логически приводит"?
На этот вопрос отвечает полный текст статьи, и я боюсь, что не могу ответить короче. Речь там идет, конечно, не о молекулярных подробностях механизмов в их нынешнем виде, а о природе факторов отбора, которые в принципе могли вести к эволюции в сторону развития этих механизмов.
Этот процесс возможно показать экспериментально?
Отдельные элементы предлагаемой конструкции можно проверить экспериментально. Для начала надо бы поймать и вырастить живых локиархей и посмотреть, являются ли они полиплоидами. Гипотеза также предсказывает, что их половой процесс, скорее всего, еще больше похож на эукариотический, чем у Haloferax. Хорошо бы также экспериментально проверить способность Haloferax к обмену целыми хромосомами. И, конечно, нужны эволюционные эксперименты на Haloferax, что вполне реально уже сейчас - такие эксперименты могут прояснить многие вопросы, связанные с предложенной гипотезой.