Miks oli vaja eukarüootset rakumälu?
EUKARÜOODI GENOOMI KUJUNEMISE ÖKOLOOGILINE TAUST
Tõnu Ploompuu
Eukarüootidel on mitu kromosoomi, prokarüootidel üldjuhul üks. Lihtsamad eukarüoodid on mitu korda suurema mälu mahuga kui kõige enam DNA-d omavad bakterid (Lewin 1997). Samuti on teada, et eukarüootide DNA kasutamise efektiivsus on väiksem kui prokarüootidel (Gold et al. 1997). Nende teadmiste põhjal võib esitada kolm miks-küsimust: Miks on mitmesse kromosoomi DNA jaotamine parem kui ühes omamine, kuidas sai võimalikuks ühe “asemele” mitme kromosoomi teke? (Parem sellepärast, et mitmekromosoomne variant tekkis hiljem, väljakujunenud ühekromosoomilise kõrvale, pidi omama selle suhtes esialgu valikulist eelist). Miks on eukarüoodi raku tuumas rohkem DNA-d, kuidas pole bakteritel võimalikuks osutunud DNA hulga sarnane kasv kui eukarüootidel? Miks on eeldatavalt keerulisematel organismidel kasutut teabematerjali palju (“palju müra genoomis”)? Mis olid need loodusliku valiku tingimused, mis sundisid olemasolevat vana head bakteriraku mälu ümber kujundama nii, et tekkis hoopis enam võimalusi pakkuv mälu mehhanism? Üritan järgnevalt arutleda, milline võis olla keskkond, kus ei saanud enam vanaviisi hästi elada. Selle võimaliku keskkonna tingitud muutuste ahelat käsitlen ma siin eukarüootsuse tekke astmetena.
EUKARÜOOTSUSE KUJUNEMISE ASTMED (võivad ajaliselt osaliselt kattuda, numeratsioonis järgnevatena toodud ka paralleelselt, samaaegselt toimunud olla).
Esimesed heterotroofid kujunesid ilmselt litotroofide kolooniates riftiallikate ümbruses (vanimad stromatoliidid on kemolitotroofide kivistised?). Heterotroofe võis tekkida tollal nii arhe- (domineerisid) kui eubakterite (olid sel ajal vähemuses) hulgas. Tänapäevani on neist heterotroofidest säilunud/arenenud vaid üks rühm – eukarüoodid.
Bakteritele omane väike genoomi maht võimaldas neil heterotroofidel korraga kasutada vaid mõne keemilise reaktsiooni energiat. Stromatoliitidel kujunes välja mitmekesine laguahel (=paralleelsed laguahelad), erinevatest bakteritest. Selles koosluses hakkasid peagi osad heterotroofid ka elusatest rakkudest seeneliselt (s.o. nagu kõik bakterid) toituma. Heterotroofsel toitumisel olid olulisel kohal antibiootikumid – nii konkurentide tõrjeks kui söögi surmamiseks. Mõningast heterotroofset elu võis esineda ka sette kogunemise kohtades, kuid tuleviku jaoks oli see teisejärguline. Hajusa orgaanika ja hajusalt elavate organismide kasutamine nende heterotroofide poolt oli välistatud.
Fagotsüteerivate bakterite tekkeks oli põhjust vaid litotroofide kolooniate äärealadel või veelgi hajusama eluga piirkondades. Sellises toiduvaeses piirkonnas oli heterotroofsetele bakteritele omane kehaväline seedimine suureks takistuseks. Kui toidurikastes oludes oli osa seeditud toitu kadumaminek enne imendumist talutav, sest toitu oli palju ja lisaks oli lootust imendada ka mõne teise seedija poolt ettevalmistatud ühendeid, polnud lahjas keskkonnas vähese kaotsiminek talutav ja puudus kompensatsiooni võimalus. Esmatähtis oli leitud söögi kinnihoidmine ja seeditu maksimaalne imendamine, milleks oli vaja seeditav objekt/subjekt ümbritseda võimalikult igast küljest.
Kuna “korralikke” saakorganisme seal ei olnud (vaid nõrgenenud hulgused ning surnud) ja võimalik kokkupuude konkurentidega oli tühine, vähenes antibiootikumide eritamise tähtsus kuni selle kadumiseni. Kolooniate siseosadesse sellistel organismidel enam asja ei olnud – sealsetes tugevates konkurentsisuhetes osutunuksid nad nõrkadeks.
Fagotsütoosi teke eeldas raku sisetoese teket. Raku osade kohendamine saagi vastu ja hiljem selle ümbere tähendas raku osade liigutamist – see on võimalik aga vaid sisetoese olemasolul. Kuid pole sisulist erinevust enda saagi ümbere liigutamisel (=fagotsütoos) ja teise kohta loivamisel – tekkis ka amöboidne liikumine. Liikumisvõime kujunemist ürgsetest arhebakteritest eraldunud haru sisese evolutsiooni tulemusena toetab ka mõneti tubuliiniga sarnaste ja sellega seotud valkude esinemine arhebakteritel (Tolk 1998 ref. Trent et al. 1997). Seega L. Margulise (1996) pakutud idee eukarüootide liikumisvõime (ujuvuse) pärinemisest endosümbioosist eubakteritega ei saa pidada vastuvõetavaks, eriti, kuna selle võime kandjad on kaasaegsemad bakterite vormid. See muidugi ei välista hilisemat liikumismehhanismi täienemist seoses endosümbioosiga, näiteks L. Margulise (1996) pakutud spiroheetidega.
Kuna fagotsüteerivad bakterid olid ilmselt valdavalt saprotroofsed ja vaid harva õnnestus neelata teine elus bakter, siis polnud ka karta rakkude liigset saastumist võõraste geenide-kromosoomidega. Esmapilgul ebardlike monstrumite ellujäämist võimaldas vaenlaste puudumine nende elupaigas. Ka omasuguseid oli esialgu vähe. Sellise eduka hulgakromosoomse bakteri jagunemise seisukohalt oli oluline kõigi kromosoomide üheaegne jagunemine – edukaks osutusid vaid need järglased, kes said võimalikult tasakaalustatud valiku kromosoome. Hakkas kujunema mitoos. Võimalik, et hulgakromosoomsuse tekkel on oluline osa olnud ka plasmiididel, kes oma varjumisvõimega aitasid maskeerida ka võõraid kromosoome.
Kirjeldatud viisis on siiski võimalik näha sümbioosi. Algsed “kiskja-saak” suhted raku sisekeskkonda sattunud kromosoomide vahel oli soodsam taandada kromosoomide sümbioosiks. Selline sümbiogeneetiline eukarüootse kromosoomistiku kujunemine seletab hästi ka eukarüoodi geenide arhe- ja eubakteriaalset päritolu. Siiski jäävad siin võrdväärsetena konkureerima ka muud võimalused geenide ülekandest algeukarüootide ja erinevate bakterite vahel (nt. arhebakter Methanococcus jannashi genoomis on nii eu- kui arhebakteritele omaseid geene (Kyprides et al. 1997)) kui ka võimalus mitokondrite geenide siirdest rakutuuma.
Sarnane ülaltooduga on J. F. Doolittle’i (1998) hüpotees. Selle põhjal pärineb enamus eukarüoodi tuumas olevaid eubakterite geene neelatud bakteritest, kuid seal on eeldatud juba tuuma olemasolu ülekande toimumise ajal. On võimalik, et J. F. Doolittle’i pakutud viisil toimus eukarüoodi tuuma hilisem täienemine geenidega, see oli aga algse hulgakromosoomsuse tekke aegse genoomide segunemise vaibuv järelmäng.
Hulgakromosoomsuse kujunemiseks oli hõre konkurentsivaene keskkond soodne - valik kõrvaldas esialgu vaid väga ebasoodsad kombinatsioonid. Samal ajal oli ruum, kus selliseid rakke võis esineda (kuigi väga hõredalt), väga suur – peaaegu kogu ookean. Keskkonnas, kus konkurentsi puudumise tõttu oli nõrgenenud valikusurve, esinev määramatus võimaldas ka geenmutatsioonidel kergemini püsima jääda, seega võib evolutsioonipuu (Pace 1997, vt. ka Ploompuu 1998) eukarüootide haru harunemata alus olla ajaliselt lühem, kui geenikella põhjal võiks eeldada.
Amöboidse liikumise ja fagotsütoosi teke peaksid pärinema fotosünteesi eelsest ajast. Kõige hiljem vee-fotosünteesi (s.o. sinivetikate) tekkeajaks pidi olemas olema ka hulgakromosoomne rakk – fotosünteesi, eriti vee-fotosünteesi ja viimasele peagi järgnenud hingamise tekkega kaasnenud bioprodiktsiooni ja elu tiheduse järsk kasv (pärisbakterite plahvatuslik levimine) poleks jätnud algelistele hulgakromosoomsetele monstrumitele piisavalt vaikseid nurgakesi pärilikkusaine stabiilsuse suunas organiseerumiseks. Hulgakromosoomsed organismid oleksid siis välja surnud enne sündimist.
3a. Muidugi on veel teine sümbiogeenne võimalus selle astme läbimiseks hulgakromosoomse raku tekkel. Nii võisid ringi ujuvate fagotsüteerivate bakterite pinnale kommensaalidena kinnituda kolooniates elavad saprotroofsed bakterid, kes lagundasid fagotsüteerijast kasutamata jäänud ühendeid. Hiljem nende koostöö tihenes ja rakkude vahelt kadus piir. Sellise raku edasine stabiliseerumine pidi ikka minema eelpool kirjeldatud viisil. Siiski on sellise klassikaline sümbioosi mudel siinjuhul vähem tõenäoline (vt. järgmine punkt).
Hulgakromosoomsuse eelnevust tuumamembraani kujunemisele võib põhjendada ka mitoosi ja meioosi kaudu. Nimelt kromosoomide eraldumise ajal puudub tuumamembraan ja alles kromosoomide koondumisel uue tuuma piirkonda moodustub see uuena kromosoomide ümber. Kui tuum oleks moodustunud rakusisese sümbiondi tervikrakust, oleks tõenäolisem tema jagunemine pooldumise teel, nagu see toimub mitokondritel ja plastiididel. Tuumamembraan peaks säiluma ja väljaveninud poolte vahele võiks tekkida vaid uus membraan, tuumamembraaniga piiratud raku osas võiks toimuda midagi mitoosi- ja meioosisarnast.
Alg-eukarüootide laiemat levikut piiras nende tundlikkus ultraviolettkiirguse suhtes. Seetõttu jäid nad ka vee-fotosünteesi ilmumise järel enam sügavamate veekihtide elanikeks, võimaldades nii vee pinnakihtides laialdaselt levida ja areneda uutel heterotroofsetel organismidel – heterotroofsetel eubakteritel. Stromatoliitide esinemine osooniekraani eelsetel randadel (Walter 1994) viitab tolleaegsete eubakterite (sinivetikate) ultraviolettkiirguse taluvusele.
Kirjeldatud arengukäigu põhjal saab pakkuda alguses püstitatud küsimustele järgmised vastused: Pärilikkusaine jagunemine mitme kromosoomi vahel on tingitud kromosoomide pärinemisest erinevatest organismidest. Erinevate bakterite kromosoomide sümbioosi tulemusena sai rakus olema mitu kromosoomi. Eluliselt oluliste geenide jaotumine erinevate kromosoomide vahel on tingitud sellest, et sümbiootilises kromosoomide komplektis võisid osad kromosoomid mõned enda ülesanded kaotada ilma raku kui terviku eluvõimet kahjustamata. Kuna kromosoomid võivad vahel omavahel liituda ja osi üle anda, võivad esialgu ühte kromosoomi kuulunud geenid olla jaotunud mitme kromosoomi vahel.
Mitmelt bakterilt pärinev DNA hulk on paratamatult suurem, kui ühes bakterirakus esineda võiv. Sümbiogeneetiliselt tekkinud suure DNA-hulgaga rakk oli polüfunktsionaalne ja pidi omandama suurema regulatsioonivõime. Bakteritel polnud enam võimalik areneda hõivatud polüfunktsionaalse ökoniši täitmise suunas ja nende genoomi mahu kasvamiseks puudus põhjendus.
Kuna sümbiogeneetilises geenide komplektis oli väga palju dubleerivaid geene (kõik raku põhistruktuure tagavad geenid kõigis kromosoomides), osutus enamuse nende funktsioneerimine ülearuseks. Mutatsioonid lülitasid peagi välja suurema osa dubleerivaid geene, mittetöötavad geenid hakkasid aga muutuma suure kiirusega, kuna mittekasutatavatele järjestustele puudus stabiliseeriv valiku surve. Seetõttu on ka võimatu taastada nende mõttetute järjestuste võimalikku mõtestatud eellasgeeni. Mõttetute järjestuste kaotamiseks on aga valiku surve ilmselt liiga nõrk olnud – väljakujunenud eukarüootide evolutsiooni ajal on nälg olnud ilmselt väiksema valikulise määravusega kui prokarüootsete struktuuride kinnistumisel. Siin on veel huvitav märkida, et ilmsed esimesed Maa elustiku dominandid – arhebakterid näivad E. V. Koonini ja M. Y. Galperini (1997) toodud andmete põhjal omavat DNA hulga kohta suhteliselt rohkem geene kui eubakterid. Algsetes toitainevaestes ja kiskjavabades elukooslustes oli ilmselt vajalik ja võimalik optimeerida ainete kasutamist maksimaalse kokkuhoiu suunas, hiljem on seda üha enam takistanud vajadus edukaks tegutsemiseks vaenlase vastu. Konkurentne valiku surve on asendunud üha enam surmavaenlase või sõbra (kiskja, parasiidi või sümbiondi, edifikaatori) valikusurvega.