Molekül aus uralten bakterienähnlichen Zellen könnte neues Licht auf die sexuelle Fortpflanzung werfen

Eine Studie stellt die Theorie auf, dass die Ei-Spermien-Fusion, ein entscheidendes Merkmal der sexuellen Fortpflanzung bei Pflanzen und Tieren, möglicherweise aus einer alten Form des genetischen Austauschs stammt, bei der bakterienähnliche Mikroorganismen namens Archaea verschmelzen. Die Ergebnisse, veröffentlicht in Naturkommunikationkann eine völlig neue Perspektive auf die Evolution des Geschlechts eröffnen.

„Archaeale Proteine ​​mit Membranfusionsaktivität könnten uns helfen zu verstehen, wie sich Zellen von scheinbar einfachen Formen, die diskrete DNA-Stücke teilen, zu den heutigen komplexen Lebensformen entwickelt haben, die sich sexuell fortpflanzen“, erklärt Shunsuke Nishio, Forscher am Department of Biosciences and Nutrition, Karolinska Institutet. und einer der Erstautoren der Studie.

Die Verschmelzung von Eizelle und Samenzelle, spezialisierte Zellen, die die genetische Information für die nächste Generation tragen, ist der Höhepunkt der sexuellen Fortpflanzung. Da unkontrollierte Zellfusion tödlich ist, verwenden Pflanzen und Tiere spezielle Proteine, sogenannte Fusogene, um zu steuern, wann und wo dieser Prozess stattfindet.

Evolutionäre Erkenntnisse aus einem wichtigen Ahnenmolekül

Die neue Studie berichtet, dass Archaeen, bakterienähnliche Zellen, von denen angenommen wird, dass sie vor mehr als 3 Milliarden Jahren entstanden sind, ein Protein (Fusexin 1 oder Fsx1) enthalten können, das einer Art von Fusogen (HAP2) ähnelt, das zuvor in Viren und Pflanzen identifiziert wurde und wirbellose Tiere.

Die Forscher kombinierten computergestützte Evolutionsbiologie, AlphaFold-basierte Proteinmodellierung, Röntgenkristallographie und funktionelle Studien, um zu zeigen, dass das archaeale Protein Fsx1 ein echtes Fusogen ist. Dies liegt zum einen daran, dass es dem zuvor identifizierten HAP2-Fusogen strukturell ähnlich ist und zum anderen in der Lage ist, die Zell-Zell-Fusion zu fördern, wenn es in anderen Zelltypen exprimiert wird.

„Die Gametenfusion fasziniert die Menschheit seit mehr als 150 Jahren. Da wir bereits wussten, dass HAP2-ähnliche Proteine ​​verwendet werden, um die Membran von behüllten Viren (wie Zika, Dengue und Röteln) mit Wirtszellen zu verschmelzen, fragten wir uns, ob dieses Schlüsselmolekül seinen Ursprung hat in einem Virus und wurde dann für die Gametenfusion in Pflanzen und Tieren oder umgekehrt wiederverwendet“, sagt Luca Jovine, Professor am Department of Biosciences and Nutrition, Karolinska Institutet, und einer der korrespondierenden Autoren der Studie.

„Die Entdeckung, dass uralte Kreaturen wie Archaea auch ein HAP2-ähnliches Protein enthalten können, wirft nun eine dritte faszinierende Möglichkeit auf, wonach Fusexin1 das Ahnenmolekül ist, von dem virale, pflanzliche und wirbellose tierische Fusogene abstammen.“

Der Ursprung des Sex

Die Studie war eine internationale Zusammenarbeit mit akademischen Forschungsgruppen aus Israel, Argentinien, Uruguay und der Schweiz sowie der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankreich und dem britischen KI-Unternehmen DeepMind, das AlphaFold entwickelt hat.

Der nächste Schritt wird sein, herauszufinden, was Fsx1-Proteine ​​in der Natur tun, wenn sie beispielsweise archaeale Zellen fusionieren – wie ihre pflanzlichen und tierischen HAP2-Gegenstücke Gameten verschmelzen – um einen geschlechtsähnlichen DNA-Austausch zu fördern. Parallele Studien werden auch benötigt, um die Evolutionsgeschichte, die Fsx1 und HAP2 verbindet, genau aufzuzeichnen, um ihren Ursprung fest zu bestimmen.