Прогнозирование эукариотической клеточной сложности у архей Asgard с помощью структурного моделирования

Древние микробы с скрытой сложностью

Жизнь, какой мы её знаем, зависит от эукариотических клеток — клеток с внутренними компартментами, такими как ядро и митохондрии. Как такие сложные клетки эволюционировали из более простых микробных предков, долгое время оставалось одной из глубочайших загадок биологии. В этом исследовании внимание сосредоточено на малоизвестной группе архей, называемых Asgard, и задаётся вопрос: несут ли эти микробы уже те молекулярные строительные блоки, которые необходимы для сложности, наблюдаемой в наших собственных клетках?

Заглядывая в белковый мир Asgard

Чтобы исследовать это, учёные собрали большую геномную коллекцию из 936 архей Asgard, многие из которых известны лишь по фрагментам ДНК из образцов окружающей среды. Эти геномы кодируют миллионы белков, большинство из которых плохо изучены. Вместо того чтобы опираться только на прямое сходство последовательностей, которое часто не срабатывает при очень больших эволюционных разрывах, команда предсказала трёхмерные структуры репрезентативных белков из пангенома Asgard. С помощью мощных алгоритмов, изначально разработанных для предсказания свёртывания белков, они сгенерировали модели структур с высокой степенью уверенности для более чем 37 000 семейств белков.

Видя сходство там, где последовательности расходятся

Последовательности белков часто сильно изменяются за миллиарды лет, но их общие формы нередко гораздо более консервативны. Авторы использовали это, сравнивая предсказанные структуры белков Asgard с обширной базой известных и предсказанных структур из всех доменов жизни. Затем они спросили для каждого семейства белков Asgard, встречаются ли его ближайшие структурные совпадения непропорционально часто именно у эукариот. Когда такое обогащение наблюдалось, они классифицировали белки Asgard как «изоморфные эукариотические сигнатурные белки», или iESP — белки, чьи формы, а не последовательности, сильно отзываются эхом белков эукариот, связанных со сложной клеточной биологией.

Утроение набора подобны́х эукариотам белков

Этот структурный подход выявил 1 319 ранее не распознанных iESP и показал, что при группировке в родственные структурные кластеры археи Asgard содержат 908 отдельных семейств белков с сильной эукариотической аффинностью — более чем в три раза больше, чем было обнаружено ранее методами, основанными на последовательностях. Многие из них относятся к системам хранения и обработки информации, таким как трансляция и биогенез рибосом, а также к метаболическим путям, защищающим от окислительного повреждения или обрабатывающим сложные молекулы. Это указывает на то, что архейный предок эукариот уже обладал более богатым и изощрённым молекулярным набором инструментов, чем можно было предположить, исходя только из геномов.

Подсказки о ранних клеточных компартментах

Некоторые из наиболее поразительных находок касаются белков, связанных с внутренней организацией эукариотических клеток. Команда выявила версии основного вольтового белка (major vault protein) у Asgard, который у эукариот собирается в огромные бочкообразные рибонуклеопротеиновые частицы, вовлечённые в транспорт и реакции на стресс. Они также обнаружили родственников COMMD-белков у Asgard, входящих в комплекс Commander, который помогает рециркулировать белки мембран в эндосомах. Кроме того, они нашли у Asgard уникальные источники Ufm1 — убиквитиноподобного модификатора, участвующего в сигнальном ответе на стресс, и CINP — партнёра кимаз циклов клеточного деления, играющего роль в репликации ДНК и продукции рибосом. Эти связи предполагают, что компоненты сложных эукариотических транспортных и регуляторных систем могут восходить к предкам Asgard.

Переписывая историю происхождения наших клеток

В совокупности результаты рисуют образ архей Asgard как далеких от простоты организмов. Их геномы кодируют множество белков, чьи формы соответствуют тем, что лежат в основе сложной организации, обработки информации и метаболизма эукариотических клеток. Хотя одна только структура не может доказать прямое родство для каждого семейства белков, она выявляет глубокие связи, которые пропускает сравнение последовательностей. Для неспециалиста ключевое сообщение таково: скачок от простых микробов к сложным клеткам, вероятно, был преодолен организмами, похожими на Asgard, которые уже обладали многими молекулярными механизмами, на которых до сих пор опираются наши клетки.

Цитирование: Köstlbacher, S., van Hooff, J.J.E., Panagiotou, K. et al. Prediction of eukaryotic cellular complexity in Asgard archaea using structural modelling. Nat Microbiol 11, 747–758 (2026). https://doi.org/10.1038/s41564-026-02273-y

Ключевые слова: археи Asgard, эволюция эукариотической клетки, моделирование структуры белков, клеточная сложность, эукариотические сигнатурные белки