Neue Erkenntnisse über den Ursprung eukaryotischer Zellen

Schematischer Aufbau einer Tierzelle, die zu den eukaryotischen Zellen zählt. (Wikipedia / Mariana Ruiz / gemeinfrei)
Schematischer Aufbau einer Tierzelle, die zu den eukaryotischen Zellen zählt. (Wikipedia / Mariana Ruiz / gemeinfrei)

Genau wie Physiker den Ursprung des Universums ergründen, indem sie die Sterne beobachten, oder wie Archäologen alte Zivilisationen mit den heute gefundenen Artefakten rekonstruieren, so untersuchen Evolutionsbiologen die Vielfalt der heutigen Spezies, um den Ursprung des Lebens und der Evolution zu verstehen.

In einer Studie, die im renommierten Journal Nature veröffentlicht wurde, werfen die Wissenschaftler Toni Gabaldón und Alexandros Pitis Licht auf einen der bedeutendsten Meilensteine in der Evolution des Lebens: die Übernahme von Mitochondrien in die Zellen.

Die ersten Lebewesen waren einzellige Organismen – Vorgänger der Bakterien, die die Welt heute bewohnen. Diese Zellen waren recht einfach aufgebaut, aber an irgendeinem Punkt in der Evolution ebneten sie den Weg zu einer komplexeren Zelllinie: den Eukaryoten – das sind Zellen mit einem Zellkern. Eukaryotische Zellen haben die meisten komplexen Lebensformen auf der Erde hervorgebracht, darunter vielzellige Organismen wie Tiere, Pflanzen oder Pilze.

Einer der Schlüssel zu dieser Komplexität befindet sich in den Mitochondrien, das sind Organellen, die als das Kraftwerk der Zellenergie betrachtet werden, obwohl das nicht ihre einzige Aufgabe ist. Man geht davon aus, dass die Zellen durch die Übernahme von Mitochondrien in der Lage waren, mehr Energie zu nutzen und qualitative Fortschritte in ihrer Struktur und Organisation zu machen. Deshalb wird die Übernahme von Mitochondrien als ein bedeutender Meilenstein in der Evolution des Lebens angesehen.

Bis jetzt wurden einige Theorien erdacht, um zu erklären, wie die Zellen die Mitochondrien übernahmen. Obwohl Einigkeit über das “wie” herrscht (die ersten Mitochondrien mussten Bakterien gewesen sein, die in andere Bakterien eindrangen, dort verblieben und Teil der Zelle wurden), war das “wann” bisher unklar. Einige Wissenschaftler vertraten eine frühe Einbeziehung der Mitochondrien und sahen dies als den ersten notwendigen Schritt an, um die Entwicklung in Richtung der heute bekannten eukaryotischen Zellen anzustoßen.

Andere Theorien sahen einen späteren Einschluss der Mitochondrien vor, weil eine komplexere Wirtszelle das Eindringen einer anderen Zelle und deren Verbleib in ihrem Innern begünstigt haben könnte. Jetzt haben der Prä-Doc Alexandros Pitis und der ICREA-Professor und Gruppenleiter Toni Gabaldón vom Centre for Genomic Regulation (CRG) den Sachverhalt aufgeklärt und eine Theorie aufgestellt, die den Zeitrahmen der Übernahme eingrenzen würde.

“Wie Archäologen versuchen wir basierend auf heute vorhandenen Belegen etwas zu rekonstruieren, das in der Vergangenheit existierte. Genauer gesagt untersuchten wir Proteine, die in allen komplexen Organismen vorkommen und rekonstruierten ihre Entwicklung. Wir stellten fest, dass die Proteine, die mit der Übernahme der Mitochondrien zusammenhängen, später erschienen als jene, die mit anderen Teilen der Zelle in Verbindung stehen”, sagte der leitende Wissenschaftler der Studie, Toni Gabaldón.

Die Forscher nutzten eine Reihe verschiedener Messungen, um die Einbeziehung mehrerer Proteine in die eukaryotische Zelllinie zu datieren. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass die Ankunft der Proteine in mehreren “Wellen” ablief, und dass die Proteine, die mit den ersten Mitochondrien zusammenhängen, mit jenen aus der letzten Welle übereinstimmten.

“Unsere Arbeit demonstriert, dass die Übernahme von Mitochondrien spät in der Zellentwicklung auftrat und dass die Wirtszelle bereits einen gewissen Grad an Komplexität besaß”, sagte Alexandros Pitis, der Hauptautor der Studie. “Unsere Studie macht es möglich, die Schritte dessen nachzuvollziehen, was als der größte Evolutionssprung nach der Entstehung des Lebens angesehen wird. Zu verstehen, wie die Komplexität entstand und sich entwickelte, ist wichtig für ein besseres Verständnis der Mechanismen, welche die Zellen und damit auch die Funktionsweise aller lebenden Organismen steuern”, schlussfolgerte Gabaldón.

Abhandlung: “Late acquisition of mitochondria by a host with chimeric prokaryotic ancestry” von Alexandros A. Pitis and Toni Gabaldón. Nature, 3. Februar 2016.

Die Forschung, die zu diesen Ergebnissen führte, wurde vom European Research Council der Europäischen Union und dem Ministry of Economy and Competitiveness der Spanischen Regierung unterstützt.

Quelle: http://www.crg.eu/en/news/origin-eukaryotes-when-cells-got-complex

(THK)

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