Evoluce eukaryotické buňky – vědci revidují dosavadní teorii

Mitochondrie jsou „energetickými továrnami“ složitých eukaryotických buněk, ze kterých se skládá i naše tělo. Aby ale mohly mitochondrie buňce dodávat dostatek energie, potřebují na oplátku od buňky dostávat stavební materiál pro tvorbu proteinů. Transportní systém, který tyto stavební bloky mitochondriím dodává, se po miliony let vyvíjel zřejmě zcela jinak, než se doposud předpokládalo. Ukazuje to aktuální studie publikovaná v časopise Nature Communications, která tak přináší nový pohled na evoluci složitých eukaryotických buněk.

Mitochondrie jsou od zbytku eukaryotické buňky odděleny dvěma vrstvami membrán. Aby produkovaly energii ve formě ATP, potřebují stavební bloky pro tvorbu proteinů, které je třeba přes tuto dvojitou membránu přenést. Tento přenos zajišťují dva specifické transportní systémy umístěné na vnější a vnitřní membráně. Vědecké týmy vedené Prof. Andrém Schneiderem z Department of Chemistry and Biochemistry (University of Bern) a Prof. Bettinou Warscheid z University of Freiburg objevily, že struktura těchto transportních „nanozařízení“ se zásadně liší u jednobuněčných parazitů a lidí.

Transportní systém se vyvinul během evoluce zřejmě několikrát, jak naznačoval Dr. Schneider ve své předchozí studii, zabývající se jednobuněčnými parazity, trypanosomami. „Je to podobné jako kdybychom znovu objevili kolo“, dodává Prof. Schneider. V nové studii publikované v Nature Communications vědci však poprvé ukázali, že toto „znovuobjevení kola“ neplatí pouze pro vnější transportní zařízení, ale i pro zařízení umístěné na vnitřní membráně. Popsali také velmi neobvyklou strukturu tohoto transportního zařízení. Předpoklad, že jsou tato transportní zařízení totožná u jednobuněčných eukaryot i lidských buněk, se ukázal být zcela mylný. „Naše hypotézy o evoluci mitochondrií je třeba revidovat“, říká Dr. Schneider.

Obr.: 3D struktura jednobuněčného parazita Trypanosoma brucei. Bičík sloužící k pohybu (fialově), DNA (modře) a mitochondrie (buněčné továrny – tyrkysově). Credit: © J. Tyc/S. Vaughn, Oxford Brookes University

Benzínový nebo elektrický motor

Mitochondrie bývaly původně jednoduché bakteriální buňky, které byly pohlceny mnohem větší buňkou před dvěma miliardami let. Mezi buňkou a bakterií se vytvořil vzájemně prospěšný vztah a z bakterie se posléze vytvořila specializovaná organela zaměřená primárně na tvorbu energie pro větší buňku. Vznik mitochondrie bývá po právu pokládán za jeden z klíčových milníků v evoluci složitějších eukaryotických organismů, včetně rostlin a člověka. Naše těla jsou složena z miliard eukaryotických buněk a nová studie se velmi citelně dotýká i otázky: „Odkud vlastně pocházíme?“.

Aby mitochondrie mohly vytvářet dostatek energie pro svou buňku, musely být vytvořeny efektivní přenašeče pro přenos stavebních bloků pro tvorbu mitochondriálních proteinů. Předchozí hypotézy předpokládaly, že se takovýto specifický přenašečový systém vytvořil během evoluce pouze jednou a posléze byl u vyšších organismů pouze drobně upraven podle potřeby. Nicméně, nová studie ukazuje, že to není tak úplně pravda. Vědci porovnali strukturu těchto přenašečů u jednobuněčných trypanosom a u lidských buněk. Zjistili, že obsahují 15 různých bílkovin. Dvanáct z nich se zásadně strukturálně liší mezi buňkou trypanosom a lidí.

Tento zásadní rozdíl ve struktuře přenašečových bílkovin ukazuje na opakovanou evoluci, podobně jako by tomu bylo u „znovuobjevení kola“. „Je to podobné přirovnání jako u objevu benzínového a elektrického motoru, oba motory se zásadně liší ve své konstrukci, ale mají stejnou funkci“, vysvětluje Dr. Schneider. Tento objev nyní ukazuje, že první složitější buňky měly zřejmě mnohem jednodušší transportní systém, jehož vývoj ve složitější strukturu byl velmi dlouhý. Současné velmi složité transportní systémy bílkovinných stavebních bloků do  mitochondrií se nevyvinuly již na počátku vzniku složitějších eukaryotických buněk, ale až mnohem později.

Boj se spavou nemocí

Trypanosomy nejsou jen dobrým modelovým organismem pro základní výzkum, ale jsou také důležité z klinického hlediska jako patogenní mikroorganismy. Způsobují totiž tzv. spavou nemoc, která pokud se nezahájí včasná léčba, bývá smrtelná. Nově objevený transportní systém mitochondrií je pro trypanosomy životně důležitý. Protože se ale tak zásadně liší ve struktuře od lidského systému, lze proti němu vyvinout specifická chemoterapeutika, aniž by došlo k poškození lidských buněk. Nabízí se tak cesta pro vývoj nových a účinnějších léků proti této zákeřné nemoci.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Anke Harsman, Silke Oeljeklaus, Christoph Wenger, Jonathan L. Huot, Bettina Warscheid, André Schneider. The non-canonical mitochondrial inner membrane presequence translocase of trypanosomatids contains two essential rhomboid-like proteins. Nature Communications, 2016; 7: 13707 DOI: 10.1038/ncomms13707

University of Bern. "How complex cells originated." ScienceDaily. ScienceDaily, 19 December 2016. <www.sciencedaily.com/releases/2016/12/161219095920.htm>.