Die unerwartet verworrene Entwicklungsgeschichte des weltweit am häufigsten vorkommenden Enzyms

Als Kind, das in den USA aufwuchs, war der allererste chemische Mechanismus, an den ich mich erinnerte, die Photosynthese. Es war irgendwann in der Mitte meines zweiten Schuljahres, und ich glaube, Mr. Cadden beschrieb den Prozess als: „Wie gehen die Lebensmittel in den Supermarkt ein?“ Vielleicht ein wenig simpel, aber die meisten Erklärungen der Welt sind es. Ich vermute, ich bin nicht der einzige Amerikaner, der die Photosynthese als ersten Kontakt mit der Chemie gesehen hat, und das aus gutem Grund. Die Photosynthese ist wahrscheinlich der wichtigste chemische Prozess auf unserem Planeten, der sowohl die O2-reiche Atmosphäre der Erde als auch die Kohlenstoff-Fixierungsfähigkeiten der Erde verursacht hat (Katling und Zahnle 2003). Als ich mich weiter auf die Bildungsleiter bewegte, fand ich schließlich heraus, dass ein Großteil der Anerkennung in dieser Hinsicht auf RuBisCo (kurz für Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase / Oxygenase) zurückzuführen ist. RuBisCo ist ein Enzym, das für das weitere Funktionieren des Calvin-Zyklus entscheidend ist. Dies ist der Name für den Stoffwechselzyklus, in dem hochenergetische Moleküle verwendet werden, um Kohlenstoff aus CO2 in verwertbare Zucker zu binden. Der Calvin-Zyklus ermöglicht zusammen mit lichtabhängigen Reaktionen die Kohlenstoff-Fixierung durch Photosynthese (Sato et al. 2007).

Abbildung 1 (Jaffe et al. 2018): Ein Bild des Calvin-Benson-Bassham-Zyklus (oft nur als Calvin-Zyklus bezeichnet). Nahe dem Ursprung des Zyklus spielt RuBisCo eine Schlüsselrolle bei der Bindung von Kohlenstoff aus CO2 in 3-Phosphoglycerat (3PG). Ohne diesen enzymatischen Prozess ist der Calvin-Zyklus unmöglich.

Angesichts des erheblichen selektiven Vorteils, der einem photosynthetisierenden Organismus verliehen wird, ist es vielleicht nicht überraschend, dass sich Gene für RuBisCo im biologischen Leben wild vermehrt haben, wobei RuBisCo nun als das am häufigsten vorkommende Enzym der Erde gilt (Raven 2013). In dieser Proliferation stellt sich jedoch eine unerwartet schwierige Frage: Wie genau sind die RuBisCo-Gene im Laufe der Zeit in so vielen verschiedenen Linien aufgetaucht? Während klassische Darwinsche Evolutionsmodelle einen linearen, geordneten Abstieg der RuBisCo-Formulare von einem gemeinsamen Vorfahren vorschlagen können, der in allen Lebensbereichen vorkommt, sind diese Modelle zu simpel. Dr. Alexander Jaffe behauptet, dass die Verbreitung von RuBisCO in allen Bereichen der Biologie möglicherweise mehr auf den lateralen Gentransfer zurückzuführen ist als bisher angenommen.

Wie kommt es, dass Jaffe et. al. hat dieses neue Stück Evolutionsgeschichte erkannt? Jaffe und sein Team überprüften über 300 Genome von CPR-Bakterien (Candidate Phyla Radiation) und DPANN-Archiven (Diapherotrites, Parvarchaeota, Aenigmarchaeota, Nanoarchaeota und Nanohaloarchaeota), die nach RuBisCo suchen, bilden alte und neue. CPR-Bakterien und DPANN-Archaeen bilden einzigartige monophyletische Gruppen in ihren jeweiligen Domänen, da beide mit proportional kleineren Genomen arbeiten als andere Organismen in ihrer Domäne, häufig als Endosymbionten vorhanden sind und häufig komplexere Stoffwechselprozesse fehlen (Wrighton et al. 2012, Brown et al . 2015).

Abbildung 2 (Castelle et al. 2018): Eine Grafik, die die winzige Größe von CPR / DPANN-Genomen im Vergleich zu anderen Bakterien / Archaeen angibt. Diese geringe Genomgröße ist mit der Unfähigkeit der CPR / DPANN-Spezies verbunden, umfassende metabolische Komplexität aufzuweisen, und ist vielleicht die Ursache ihres oft endosymbiotischen Zustands.

Abbildung 2 (Castelle et al. 2018): Eine Grafik, die die winzige Größe von CPR / DPANN-Genomen im Vergleich zu anderen Bakterien / Archaeen angibt. Diese geringe Genomgröße ist mit der Unfähigkeit der CPR / DPANN-Spezies verbunden, umfassende metabolische Komplexität aufzuweisen, und ist vielleicht die Ursache ihres oft endosymbiotischen Zustands.

Trotz ihrer kleinen Genome und des Mangels an umfassenden Stoffwechselprozessen haben neuere Studien gezeigt, dass CPR / DPANN die Stoffwechselvielfalt hinsichtlich Fermentation und Stickstoff / Kohlenstoff / Schwefel / Wasserstoff-Zyklus überraschen kann (Wrighton et al. 2012, Castelle et al. 2015). Kürzlich entdeckte RuBisCo, das in einigen CPR / DPANN-Arten vorhanden ist, Neugierde darüber, wie die Diversität von RuBisCO in diesen Claden ihre metabolischen Mechanismen beleuchten kann. Daher suchte das Team von Jaffe> 300 CPR / DPANN-Genome nach RuBisCos verschiedenen Formen.

Unnötig zu sagen, fanden sie einige.

Bei der Suche nach RuBisCos sechs nicht eukaryontischen Hauptvarianten (II / III, III-b, III-ähnlich, III-c, IV und IV-ähnlich) wurden Entdeckungen von RuBisCo-Enzymen innerhalb von Kladen gemacht, von denen angenommen wurde, dass sie RuBisCo sowie Entdeckungen der neuen RuBisCo-Diversität in den CPR- und DPANN-Clades.

Abbildung 3 (Jaffe et al. 2018): Anwesenheit von RuBisCo-Varianten in CPR / DPANN-Genomen sequenziert. Die Zahl innerhalb des Kästchens gibt die Anzahl der Sequenzen innerhalb einer Gruppe an, die mit dem angegebenen RuBisCo-Formular übereinstimmen.

Was waren die signifikanten Ergebnisse dieser metagenomischen Sequenzierung? Erstens wurde RuBisCo der Form II / III, die zuvor als exklusiv für Archaeen angesehen wurde, in mehreren monophyletischen CPR-Untergruppen (Dojkabacteria, Pereegrinibacteria, SR1 und Gottesmanbacteria) gefunden, was die evolutionäre Breite von RuBisCo der Form II / III erweitert. Darüber hinaus wurde die Vielfalt der Gruppen mit III-b-Form von RuBisCo in der DPANN-Clade um die Diapherotrite, Micrarchaeota und Woesearchaeota erweitert. Die Anzahl der CPR- und DPANN-Untergruppen, die RuBisCo mit der Form III enthalten, stieg signifikant an. Alle diese Erkenntnisse trugen zur Verbreiterung der Diversität bei, für die CPR / DPANN-Linien unterschiedliche RuBisCo-Formen enthielten. Wenn diese neuen Entdeckungen in eine molekulare Phylogenie der RuBisCo-Evolution einbezogen wurden, erschien der erzeugte Baum ziemlich eigenartig.

Das heißt, der erzeugte Baum entsprach nicht den Phylogenien der AMP-Phosphorylase oder R15P-Isomerase, zwei weiteren für den Calvin-Zyklus entscheidenden Enzymen, die sich vermutlich ähnlich wie RuBisCo entwickelt haben.

Abbildung 4 (Jaffe et al. 2018): Oben: Die Phylogenie der RuBisCo-Entwicklung, die durch Analyse der maximalen Wahrscheinlichkeit von RuBisCo-großen Ketten vorhergesagt wird. Mitte: Die vorhergesagte Phylogenie der AMP-Phosphorylase mit maximaler Wahrscheinlichkeit. Unten: Der vorhergesagte Maximum-Likelihood-Baum der R15P-Isomerase.

Wie in den Phylogenien zu sehen ist, ist das Muster der Enzymdivergenz zwischen den DPANN- und CPR-Clades zwischen den AMP-Phosphorylase- und R15P-Isomerase-Phylogenien hoch konserviert. Die Unterschiede zwischen DPANN und CPR für RuBisCo unterscheiden sich jedoch erheblich. CPR und DPANN belegen gemeinsam mehrere Lücken in der Phylogenie in einer Weise, die bei den anderen beiden Phylogenien nicht vorhanden ist, und monophyletische Gruppen für CPR wie Microgenomate und Dojkabacteria treten nicht auf. In der monophyletischen Gruppe von Gottesmanbacteria schienen sich die RuBisCo-Formen jedoch auf eine Art und Weise anzuhäufen, die zu erwarten wäre, wenn das Enzym durch lateralen Gentransfer vererbt würde. Diese Beobachtungen führen zusammen mit der Entdeckung der Form III-like und III-c RuBisCo in der HLW zu der umfassendsten Behauptung dieser Veröffentlichung: Der laterale Gentransfer innerhalb und zwischen Bakterien und Archaeen könnte eine bedeutende Rolle bei der Verbreitung von Form III gespielt haben RuBisCo in der gesamten Biosphäre.

Die Autoren sind sich des Gewichtes dieser Behauptung genau bewusst und liefern daher mehrere andere Argumentationslinien, um dies zu unterstützen. Die Entdeckung von III-c RuBisCo in CPR, einer Variante, die mit DPANN III-b RuBisCo am engsten verwandt ist, lässt sich am besten durch lateralen Gentransfer erklären. Der laterale Gentransfer bietet auch eine bessere Erklärung dafür, wie Gruppen wie Dojkabacteria II-like und II / III RuBisCo in ihren Genomen enthalten (Berg et al. 2010). Ein Hauch von Vorsicht begleitet diese Hypothese in der Veröffentlichung und stellt fest, dass die Sequenzierung von mehr CPR / DPANN-Genomen diese Hypothese unterstützen oder schwächen könnte und dass der genaue Mechanismus des lateralen Gentransfers von RuBisCo noch nicht bestimmt wurde (obwohl einige RuBisCo-Homologe dies bereits sind in potenziellen viralen Vektoren gefunden) (Canchaya et al. 2003).

Wenn jedoch der laterale Gentransfer tatsächlich ein Hauptbestandteil der RuBisCo-Evolution ist, wird sich das Verständnis der Evolution der Photosynthese erheblich ändern. Während RuBisCo möglicherweise lateral weit über Arten übertragen wurde, scheinen sich viele der anderen wichtigen Enzyme des Calvin-Zyklus hauptsächlich durch vertikale Vererbung entwickelt zu haben. Insbesondere scheint sich das Phosphoribulokinaseenzym, das für die Umwandlung von Ribulose-5-phosphat in Ribulose-1,5-bisphosphat verantwortlich ist, vollständig durch vertikale Vererbung entwickelt zu haben. Angesichts der Tatsache, dass Phosphoribulokinase (PRK) das Molekül synthetisiert, das RuBisCo als Substrat verwendet, um 3PG aus CO2 zu erzeugen, wurde davon ausgegangen, dass sich die beiden bis zur Entstehung des eigentlichen Calvin-Zyklus parallel entwickelt hätten (Kono et al. 2017).

Abbildung 5 (Kono et al. 2017): Das multiple Sequenz-Alignment zahlreicher PRK-positiver Spezies wurde verwendet, um einen Baum mit maximaler Wahrscheinlichkeit für die PRK-Evolution über Domänen hinweg zu konstruieren. Es zeigt keine der lateralen Gentransfereigenschaften, die in der Phylogenie von RuBisCo vorhanden sind.

Während dies die Erzählung des Calvin-Zyklus, der sich schrittweise über mehrere Enzyme in einer einzigen Ahnenart entwickelt hat, zu dem heute bekannten biochemischen Weg aufzulösen scheint, scheint diese Inkongruenz in der Evolution nur komplizierter zu werden. Mehrere Veröffentlichungen haben den Stoffwechselwert anderer RuBisCo-Varianten in Fixierungspfaden ohne Kohlenstoff dokumentiert (Tabitha et al. 2007, Finn und Tabitha 2004). RuBisCo und PRK wurden darüber hinaus in anderen Publikationen dokumentiert, dass sie einen Kohlenstoff-Fixierungsweg aufrechterhalten können, der ohne viele der für den heutigen Calvin-Zyklus charakteristischen Enzyme auskommt.

Abbildung 7 (Kono et al. 2017): Eine von RuBisCo und PRK betriebene Visualisierung des Kohlenstoff-Fixierungspfads in Abwesenheit anderer mit Calvin Cycle verwandter Enzyme. Dieser Zyklus (als RHP-Weg bezeichnet) gibt Hinweise darauf, dass nicht alle Komponenten des Calvin-Zyklus gleichzeitig in einem einzigen Organismus vorhanden sein müssen, um einen selektiven Vorteil zu haben und sich weiterzuentwickeln.

Wenn das Wissen über die PRK-Evolutionsgeschichte mit einem neuen Verständnis der Rolle des lateralen Gentransfers in der RuBisCo-Evolution gepaart wird, beginnt eine neue Geschichte über die Entwicklung des Calvin-Zyklus. Es ist nicht so einfach wie der, der davor kam. Es gab keinen einzigen gemeinsamen Vorfahren, der den Calvin-Zyklus auf einmal entwickelte und ihn dann an mehrere Domänen von Nachkommen weitergab. Die Entwicklung der Photosynthese war anscheinend nicht so sauber. Es war unordentlich. Es entstanden verschiedene Komponentenenzyme, die unabhängig voneinander funktionieren. Einige dieser Varianten entwickelten sich durch selektiven Druck und wurden im Laufe der Zeit in Form und Funktion diversifiziert. RuBisCo, der Achsschenkel dieser Operation, entstand in einer seiner Formen und wurde seitlich über mehrere Domänen übertragen. Während andere Enzyme innerhalb ihrer etablierten Phylogenien auseinandergingen, schwankte RuBisCo zwischen den Zweigen des Lebensbaums und wurde zu unerwarteten Zeitpunkten in unerwarteten Arten eingeführt.

Abbildung 8 (Jaffe et al. 2018): Diese miteinander verbundene Phylogenie veranschaulicht die möglichen Auswirkungen des lateralen Gentransfers auf die RuBisCo-Evolution. Gepunktete Linien repräsentieren hypothetische laterale Gentransfers, während gerade Linien die Entwicklung innerhalb einer Linie darstellen.

Letztendlich ist noch viel Forschung in die Entwicklung von RuBisCo und den vielen anderen Kollaborationsenzymen, die die Photosynthese möglich machen, zu tun. Während wir möglicherweise einen Hinweis darauf haben, dass die Geschichte der Photosynthese-Entwicklung komplexer ist als zuvor angenommen, ist es nur das Erkennen dieser Komplexität und die Gegenüberstellung, dass wir anfangen können, diese reichhaltigere Geschichte der Entstehung des wichtigsten chemischen Pfads der Biologie zu verstehen auf diesem Planeten.

Herr Cadden hat mir zum ersten Mal gezeigt, dass unsere Erklärungen zur Biologie oft zu einfach sind, um die wichtigsten Ideen, die für das Publikum von Bedeutung sind, zu vermitteln. Und darin liegt ein Verdienst. Der Ethos der Wissenschaft tendiert jedoch zwangsläufig dazu, die reichere, komplexere und unvorhersehbarere Realität unserer Biologie zu verstehen, wie sie tatsächlich ist.

Und das ist eine schöne Sache.

Werke zitiert

Berg, Ivan A., et al. "Autotrophic Carbon Fixation in Archaea." Nature Reviews Microbiology. Vol. 8, nein. 6. 10. Juni 2010, S. 447–460., Doi: 10.1038 / nrmicro2365.

Brown, Christopher T., et al. "Ungewöhnliche Biologie in einer Gruppe, die mehr als 15% der Domänenbakterien umfasst." Nature, vol. 523, nein. 7559, 15. Juni 2015, S. 208–211., Doi: 10.1038 / nature14486.

Canchaya, Carlos et al. "Phage als Agenten des lateralen Gentransfers". Aktuelle Meinung in der Mikrobiologie, vol. 6, nein. 4, Aug. 2003, S. 417–424., Doi: 10.1016 / s1369–5274 (03) 00086–9.

Castelle, Cindy J. und Jillian F. Banfield. "Wichtige neue mikrobielle Gruppen erweitern die Vielfalt und verändern unser Verständnis des Baums des Lebens." Cell. Vol. 172, nein. 6, 8. März 2018, S. 1181–1197., Doi: 10.1016 / j.cell.2018.02.016.

Castelle, Cindy J. et al. "Die genomische Ausdehnung der Domänen-Archaea hebt die Rolle von Organismen aus neuen Phyla bei der anaeroben Kohlenstoffkreisläufe hervor." 25, nein. 6, 19. Februar 2015, S. 690–701., Doi: 10.1016 / j.cub.2015.01.014.

Catling, D. und K. Zahnle. „Evolution des Sauerstoffs in der Atmosphäre“. Encyclopedia of Atmospheric Sciences, Dezember 2003, S. 754–761.

Finn, M.W. und F.R. Tabita. "Modified Pathway zur Synthese von Ribulose 1,5-Bisphosphat in methanogenen Archaeen." Journal of Bacteriology. Vol. 186, nein. 19, 16. Oktober 2004, S. 6360–6366., Doi: 10.1128 / jb.186.19.6360–6366.2004.

Jaffe, Alexander L. et al. "Lateraler Gentransfer formt die Verteilung von RuBisCO unter den Kandidaten für Phyla-Strahlenbakterien und DPANN-Archaea." 36, nein. 3, 13. Dezember 2018, S. 435–446., Doi: 10.1101 / 386292.

Kono, Takunari et al. "Ein RuBisCO-vermittelter Kohlenstoffstoffwechselweg in methanogenen Archaeen." Nature Communications. Vol. 8, 13. Januar 2017, p. 14007., doi: 10,1038 / ncomms14007.

Raven, John A. "Rubisco: Immer noch das reichlichste Protein der Erde?" Neuer Phytologe. Vol. 198, nein. 1., 25. Februar 2013, S. 1–3., Doi: 10.1111 / nph.12197.

Sato, T. et al. "Archaeal Typ III RuBisCOs funktionieren auf einem Weg für den AMP-Metabolismus." Science. Vol. 315, nein. 5814, 16. Februar 2007, S. 1003–1006., Doi: 10.1126 / science.1135999.

Tabita, F. R. et al. "Funktion, Struktur und Entwicklung der RubisCO-ähnlichen Proteine ​​und ihrer RubisCO-Homologen." Microbiology and Molecular Biology Reviews, vol. 71, Nr. 4, 1. Dezember 2007, S. 576–599., Doi: 10,1128 / mmbr.00015–07.

Wrighton, K. C. et al. "Fermentation, Wasserstoff- und Schwefelmetabolismus in mehreren nicht kultivierten bakteriellen Phyla." Science. Vol. 337, Nr. 6102, 27. September 2012, S. 1661–1665., Doi: 10.1126 / science.1224041.