מקורו של הכרומטין בחיידקים עתיקים לפני מיליארד עד שני מיליארד שנה: ניתוח גנומי ופרוטאומי מגלה שהתפקיד הרגולטורי של הכרומטין הוא חידוש איקריוטי

היסטונים קיימים בשני האיקריוטים, באורגניזמים חיים שיש להם מכונות תאיות מיוחדות כגון גרעינים ומיקרוטובולים, וארכיאה, ענף נוסף של עץ החיים המורכב מחיידקים חד-תאיים שהם פרוקריוטים, כלומר חסר להם גרעין.

בתאים איקריוטים, ההיסטונים משתנים על ידי אנזימים, תוך שינוי צורה מתמשך של הנוף הגנומי כדי לווסת את ביטוי הגנים ותהליכים גנומיים אחרים. למרות התפקיד הבסיסי הזה, מקורו המדויק של הכרומטין היה אפוף מסתורין.

חוקרים במרכז לרגולציה גנומית (CRG) חושפים כעת שפתרון האחסון של הטבע התפתח לראשונה בחיידקים עתיקים שחיו על כדור הארץ לפני בין מיליארד לשני מיליארד שנה. המחקר מתפרסם היום בכתב העת טבע אקולוגיה ואבולוציה.

כדי לחזור אחורה בזמן, החוקרים השתמשו במידע שנכתב בגנום של אורגניזמים מודרניים, וארגן צורות חיים בהתאם לאבולוציה של גנים וחלבונים הקשורים לכרומטין. הם חקרו שלושים מינים שונים שהתקבלו מדגימות מים בקנדה ובצרפת. החיידקים זוהו הודות לטכנולוגיות מודרניות של רצף גנים המאפשרות זיהוי מינים באמצעות סינון DNA. לאחר מכן הם גודלו במעבדה לריצוף פרוטאומי וגנום.

החוקרים מצאו שלפרוקריוטים אין את המנגנון הדרוש לשינוי היסטונים, מה שמרמז כי כרומטין ארכאי באותה תקופה יכול היה למלא תפקיד מבני בסיסי אך לא מווסת את הגנום. לעומת זאת, חוקרים מצאו עדויות רבות לחלבונים שקוראים, כותבים ומוחקים שינויים היסטונים בשושלות איקריוטיות מתפצלות מוקדמות כמו המלווימונד. גפיונלה אוקלייהאנסירומונד פאבומונס טרופיהאו הדיסקובן Naegleria gruberiחיידקים שלא נדגמו עד כה.

"התוצאות שלנו מדגישות שהתפקידים המבניים והרגולטוריים של הכרומטין עתיקים כמו האאוקריוטים עצמם. פונקציות אלו חיוניות לחיים האוקריוטיים – מאז שהכרומטין הופיע לראשונה, הוא מעולם לא אבד שוב בשום צורת חיים", אומר ד"ר קסבייר גראו- Bové, חוקר פוסט-דוקטורט ב-CRG והמחבר הראשון של המחקר. "עכשיו אנחנו קצת יותר קרובים להבנת מקורו, הודות לכוחם של ניתוחים השוואתיים לחשוף אירועים אבולוציוניים שהתרחשו לפני מיליארדי שנים."

באמצעות נתוני הרצף, החוקרים שיחזרו את רפרטואר הגנים שבידי האב הקדמון המשותף האיקריוטי האחרון, התא שהוליד את כל האיקריוטים. לאורגניזם חי זה היו עשרות גנים משנים היסטונים והוא חי לפני בין מיליארד עד שני מיליארד שנים על כדור הארץ, שהוא עצמו מוערך ב-4.5 מיליארד שנים. מחברי המחקר משערים כי כרומטין התפתח בחיידק זה כתוצאה מלחצים סלקטיביים בסביבה הראשונית של כדור הארץ.

ד"ר ארנאו סבה-פדרוס, חוקר ב-CRG ומחבר בכיר של המחקר, מציין כי "וירוסים ואלמנטים הניתנים להעברה הם טפילי גנום שתוקפים באופן קבוע DNA של אורגניזמים חד-תאיים. זה יכול היה להוביל למירוץ חימוש אבולוציוני ל להגן על הגנום, וכתוצאה מכך להתפתחות של כרומטין כמנגנון הגנה בתא שהוליד את כל החיים האוקריוטיים הידועים על פני כדור הארץ. מאוחר יותר, מנגנונים אלה שולבו בוויסות גנים משוכלל, כפי שאנו רואים באיקריוטים מודרניים, במיוחד אורגניזמים רב תאיים."

לטענת מחברי המחקר, מחקר עתידי יכול לבחון את התפתחותם של אנזימים משנים היסטונים ב-Asgardian archaea, חיידקים הנקראים על שם אזור מיתולוגי המאוכלס על ידי אלים נורדיים שמתוארים לעתים קרובות כאבן דרך אבולוציונית בין ארכיאה לאאוקריוטים. החוקרים מצאו ראיות לכך שמינים מסוימים של חיידקים אסגרדיים, כגון Lokiarchaeotaיש היסטונים עם מאפיינים דמויי אוקריוטים, ויכולים להיות תוצאה של אבולוציה מתכנסת.

המחקר הוא תוצאה של פרויקט מחקר שהחל לפני שמונה שנים. בהובלת חוקרים ב-CRG, העבודה נסמכת על שיתוף הפעולה של יחידת ה-CRG-UPF Proteomics, Institut de Biologia Evolutiva (CSIC-UPF), אוניברסיטת פריז-Saclay, Université de Montreal ואוניברסיטת וינה.