Tijdlijn van vroege eukaryote evolutie

Publicatie in Nature Ecology & Evolution

Artistic impression of an eukaryotic cell

Utrechtse bio-informatici reconstrueerden de evolutionaire gebeurtenissen rondom het ontstaan van eukaryote cellen, waaruit bijna al het leven bestaat dat je met het blote oog kunt zien. Door genduplicaties van duizenden genen te analyseren, ontdekten ze dat de evolutionaire tijdlijn van simpele bacteriële cellen naar complexe eukaryote cellen er anders uitziet dan gedacht. De Utrechtse onderzoekers publiceren hun bevindingen samen met onderzoekers uit Barcelona 26 oktober in Nature Ecology & Evolution.

Een van de grootste en meest raadselachtige evolutionaire gebeurtenissen is het ontstaan van de eerste complexe, eukaryote cellen. Bijna al het leven dat we met het blote oog kunnen zien –  zoals algen, planten, dieren en schimmels – bestaat uit complexe cellen die we eukaryoot noemen. Ruwweg de eerste helft van de geschiedenis van het leven op aarde waren er echter alleen de relatief simpele cellen van bacteriën. “Eukaryote cellen zijn veel groter, bevatten meer DNA en zijn opgebouwd uit compartimenten die elk hun eigen taak hebben”, vertelt eerste auteur Julian Vosseberg. “In dat opzicht kun je bacteriële cellen vergelijken met een tent en eukaryote cellen met een huis met verschillende kamers.”

Hoe en wanneer organismen de tent verruilden voor een solide huis is nog altijd een vraagteken, want tussenvormen zijn er niet. Een belangrijk moment in de evolutie is het ontstaan van mitochondriën, een van de onderdelen van eukaryote cellen, die functioneren als energiecentrales. Ooit waren dit vrijlevende bacteriën, die ergens tijdens de evolutie zijn opgenomen door toekomstige eukaryote cellen. Omdat duplicaties van genen waarschijnlijk een drijvende kracht waren achter de toename in complexiteit op cellulair niveau, probeerde de onderzoekers de evolutionaire gebeurtenissen te reconstrueren aan de hand van deze genetische veranderingen.

Onze genen zijn gevormd door miljoenen jaren van evolutie, maar de echo's van een ver verleden zijn er nog in terug te horen

Reconstructie

Voor het reconstrueren van evolutionaire gebeurtenissen kunnen we het DNA van hedendaagse soorten gebruiken. Onze genen zijn gevormd door miljoenen jaren van evolutie; ze zijn behoorlijk veranderd, maar de echo's van een ver verleden zijn er nog in terug te horen”, vertelt Vosseberg. “Er is momenteel een enorme hoeveelheid genetische materiaal beschikbaar van diverse organismen. Met de computer is het mogelijk om de evolutie van duizenden genen te reconstrueren, waaronder oude genduplicaties. Met deze reconstructies konden we de timing van belangrijke tussenstappen bepalen.”

Een tijdlijn over deze gebeurtenissen in de evolutie was er namelijk nog niet, vertelt laatste auteur Berend Snel. “Nu hebben we een ruwe tijdlijn kunnen reconstrueren.”  Daarvoor pasten de onderzoekers een bestaande methode dusdanig aan, dat ze nu met een nieuw protocol tot nieuwe inzichten kwamen. Daaruit blijkt dat er al veel complexe celmachinerie geëvolueerd was vóórdat de symbiose met mitochondriën plaatsvond, waaronder het ontstaan van transport in de cel en het cytoskelet. “De symbiose was geen gebeurtenis die alles katalyseerde. Al eerder in de tijd zien we een piek in genduplicaties, waarmee de complexiteit van de cel al toenam”, zegt Snel.

“De discussie over het ontstaan van de eukaryote cel gaat vaak over of het verkrijgen van het mitochondrium de eerste, cruciale stap of de laatste stap was”, zegt Vosseberg. “We laten nu in onze studie zien dat er veel meer verschillen in timing tussen verschillende processen zijn te onderscheiden. De interactie met het toekomstige mitochondrium was de proloog noch het sluitstuk, maar een belangrijk plotwending in het midden.”

Publicatie

Timing the origin of eukaryotic cellular complexity with ancient duplications. Nature Ecology & Evolution. 26 oktober 2020. Julian Vosseberg*, Jolien J. E. van Hooff*, Marina Marcet-Houben, Anne van Vlimmeren*, Leny M. van Wijk*, Toni Gabaldón, Berend Snel*. DOI 10.1038/s41559-020-01320-z

* Auteurs verbonden aan de Universiteit Utrecht