Genomische en proteomische analyse onthult dat de regulerende rol van chromatine een eukaryote innovatie is – ScienceDaily

Histonen worden gevonden in beide eukaryoten, organismen met gespecialiseerde cellulaire machines zoals kernen en microtubuli, en archaea, een andere tak van de levensboom die bestaat uit eencellige prokaryotische microben, wat betekent dat ze geen kern hebben.

In eukaryote cellen worden histonen gemodificeerd door enzymen, waardoor de vorm van het genetische landschap voortdurend verandert om genexpressie en andere genetische processen te reguleren. Ondanks deze primaire rol is de exacte oorsprong van chromatine in nevelen gehuld.

Onderzoekers van het Center for Genomic Regulation (CRG) onthullen nu dat een natuurlijke opslagoplossing voor het eerst is geëvolueerd in oude microben die tussen 1 en 2 miljard jaar geleden op aarde leefden. De studie is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Ecologie en evolutie.

Om terug in de tijd te gaan, gebruikten de onderzoekers informatie die in het genoom van moderne organismen is geschreven, waarbij ze levensvormen ordenen volgens de evolutie van genen en chromatine-gerelateerde eiwitten. Ze bestudeerden dertig verschillende soorten verkregen uit watermonsters in Canada en Frankrijk. Microben zijn geïdentificeerd dankzij moderne genetische sequencing-technieken die identificatie van soorten door DNA-filtering mogelijk maken. Vervolgens werden ze in het laboratorium gekweekt voor genoom- en eiwitsequencing.

De onderzoekers ontdekten dat prokaryoten niet over de machines beschikten die nodig waren om histonen te wijzigen, wat aangeeft dat primitief chromatine in die tijd een essentiële structurele rol had kunnen spelen, maar het genoom niet reguleerde. Daarentegen vonden de onderzoekers ruimschoots bewijs voor eiwitten die histon-modificaties lezen, schrijven en wissen in uiteenlopende eukaryote stammen zoals Malawimonad. Jevonella O’Keeffeancyromonade Tropische Fabomonasof Discopan Nigeria Gruberymicroben die nog niet zijn bemonsterd.

“Onze resultaten bevestigen dat de structurele en regulerende rol van chromatine zo oud is als de eukaryoten zelf. Deze functies zijn essentieel voor het eukaryote leven – sinds chromatine voor het eerst verscheen, is het in geen enkele levensvorm meer verloren gegaan”, zegt Dr. Xavier Grau-Bové, Post-onderzoeker PhD bij CRG en eerste auteur van de studie. “We zijn nu een beetje dichter bij het begrijpen van de oorsprong ervan, dankzij de kracht van vergelijkende analyses om evolutionaire gebeurtenissen te ontdekken die miljarden jaren geleden plaatsvonden.”

Met behulp van de sequentiegegevens reconstrueerden de onderzoekers het repertoire van genen in het bezit van de gemeenschappelijke voorouder van de laatste eukaryoot, de cel die aanleiding gaf tot alle eukaryoten. Dit organisme had tientallen histonmodificerende genen en leefde tussen de één en twee miljard jaar op aarde, die zelf naar schatting 4,5 miljard jaar oud is. De auteurs van het onderzoek veronderstellen dat chromatine in deze microbe is geëvolueerd als gevolg van selectieve druk in de primitieve omgeving van de aarde.

Dr. Arnau Sepe Pedro, een CRG-onderzoeker en senior auteur van de studie, wijst erop: “Virussen en overdraagbare elementen zijn genoomparasieten die regelmatig het DNA van eencellige organismen aanvallen. Dit kan leiden tot een evolutionaire wapenwedloop om het genoom te beschermen , wat leidde tot de ontwikkeling van chromatine als verdedigingsmechanisme in de cel die aanleiding gaf tot alle eukaryote organismen op aarde. Later werden deze mechanismen geselecteerd voor gedetailleerde genregulatie, zoals we zien bij moderne eukaryoten, in het bijzonder meercellige organismen.’

Volgens de auteurs van het onderzoek zou toekomstig onderzoek kunnen kijken naar de evolutie van histonmodificerende enzymen in Asgardische archaea, microben genoemd naar een mythisch gebied dat wordt bewoond door Noorse goden en dat vaak wordt beschreven als een evolutionaire opstap tussen archaea en eukaryoten. Onderzoekers hebben bewijs gevonden dat sommige soorten Asgardische microben, zoals: Lokiarchaeotaheeft histonen met eukaryote-achtige eigenschappen, en zou het resultaat kunnen zijn van convergente evolutie.

Het onderzoek is het resultaat van een onderzoeksproject dat acht jaar geleden begon. Onder leiding van CRG-onderzoekers is het werk gebaseerd op de samenwerking van de CRG-UPF Proteomics Unit, het Institute for Biologia Evolutiva (CSIC-UPF), Paris-Saclay University, de University of Montreal en de University of Vienna.