Celler från forntida mikroorganismer kan kasta nytt ljus över sexuell reproduktion
En studie från bland annat Karolinska Institutet presenterar teorin om att ägg-spermiefusion, ett avgörande moment i sexuell reproduktion hos växter och djur, kan ha sitt ursprung i en uråldrig form av genetiskt utbyte som involverade fusion av arkéer, bakterieliknande mikroorganismer. Resultaten, publicerade i Nature Communications, kan kasta nytt ljus över utvecklingen av sexuell reproduktion.
– Forskningen om arkéer, encelliga mikroorganismer, och ännu oupptäckta membranfusionsproteiner kan bidra till en ökad förståelsen för hur celler utvecklats, från enkla former som delar DNA till dagens komplexa livsformer som genomgår sexuell reproduktion, säger Shunsuke Nishio, forskare vid institutionen för biovetenskaper och näringslära, Karolinska Institutet, och en av studiens försteförfattare.
Fusionen av ägg och spermier, specialiserade celler som bär den genetiska informationen för nästa generation, är en förutsättning för sexuell reproduktion. Hos växter och djur är okontrollerad cellfusion förenat med livsfara, och speciella proteiner, fusogener, kontrollerar när och var den inträffar.
Viktig ursprungsmolekyl
I en ny studie från bland annat Karolinska Institutet visar forskarna att uråldriga arkéer, som tros ha sitt ursprung för mer än tre miljarder år sedan, kan innehålla ett protein (Fsx1) liknande en typ av fusogen (HAP2 eller GCS1) som tidigare identifierats hos virus, växter och ryggradslösa djur.
För att undersöka om arkeproteinet Fsx1 verkligen är en fusogen använde forskarna avancerad beräkningsbiologi, 3D-baserad proteinmodellering, röntgenkristallografi och funktionella studier. Resultaten bekräftar att Fsx1 är en fusogen eftersom den liknar HAP2-fusogenen, och kan främja cell-cellfusion när den uttrycks i andra celltyper.
– Fusionen av könsceller, gameter, har fascinerat mänskligheten i mer än 150 år. Vi visste sedan tidigare att HAP2-liknande proteiner också används för att smälta samman cellmembranet hos höljeförsedda virus (som zika, dengue och röda hund) med värdceller, och det väckte frågan om om denna nyckelmolekyl har sitt ursprung i ett virus som sedan återanvändes för gametfusion i växter och djur, eller om det är tvärtom, säger Luca Jovine, professor vid institutionen för biovetenskaper och näringslära, Karolinska Institutet, och en av studiens korresponderande författare. Han fortsätter:
– Upptäckten att den forntida livsformen arkéer också kan innehålla ett HAP2-liknande protein presenterar en tredje spännande möjlighet. För kanske är Fsx1 den molekyl som alla virus-, växt- och ryggradslösa djurfusogener ursprungligen härstammar från.
Ursprunget till sexuell reproduktion
Studien var ett internationellt samarbete mellan forskargrupper från Israel, Argentina, Uruguay och Schweiz, samt European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike och brittiska AI-företaget DeepMind som utvecklade AlphaFold.
Nu vill forskarna ta reda på mer om Fsx1-proteiner och om de till exempel smälter samman arkeceller för att främja gametfusioner, som deras HAP2-motsvarigheter smälter samman könsceller hos växter och ryggradslösa djur. Det behövs också ytterligare studier för att kartlägga den evolutionära historien som förklararar sambandet mellan Fsx1 och HAP2.
Karolinska Institutets arbete finansierades av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och Vetenskapsrådet. Shunsuke Nishio och Luca Jovine rapporterar ingen intressekonflikt.
Publikation
"Discovery of archaeal fusexins homologous to eukaryotic HAP2/GCS1 gamete fusion proteins", David Moi, Shunsuke Nishio, Xiaohui Li, Clari Valansi, Mauricio Langleib, Nicolas G. Brukman, Kateryna Flyak, Christophe Dessimoz, Daniele de Sanctis, Kathryn Tunyasuvunakool, John Jumper, Martin Graña, Héctor Romero, Pablo S. Aguilar, Luca Jovine, Benjamin Podbilewicz. Nature Communications, online 6 juli 2022, doi: 10.1038/s41467-022-31564-1.