Η προέλευση των ευκαρυωτικών κυττάρων από βιοενεργητική σκοπιά

Transcript

1 Η προέλευση των ευκαρυωτικών κυττάρων από βιοενεργητική σκοπιά Ιάσονας Χαραμής Περίληψη Τα πολύπλοκα κύτταρα και όλες οι μορφολογικά πολύπλοκες μορφές ζωής στη γη είναι αποκλειστικά ευκαρυωτικής προέλευσης. Οι ευκαρυώτες είναι ένας χιμαιρικός χώρος ζωής που προέκυψε από ένα μοναδικό γεγονός ενδοσυμβίωσης ανάμεσα σε δύο προκαρυώτες που οδήγησε στην εμφάνιση του μιτοχονδρίου. Το μιτοχόνδριο προσέφερε ένα τεράστιο βιοενεργητικό πλεονέκτημα στα ευκαρυωτικά κύτταρα, σπάζοντας τους ενεργειακούς περιορισμούς των προκαρυωτικών κυττάρων που προκύπτουν ως άμεση συνέπεια των ιδιοτήτων του καθολικού χημειωσμωτικού μηχανισμού παραγωγής ενέργειας. Η απώλεια της πλειοψηφίας των γονιδίων του μιτοχονδρίου δημιούργησε μία τεράστια γονιδιωματική ασυμμετρία στο ευκαρυωτικό κύτταρο, όπου μικροσκοπικά μιτοχονδριακά γονιδιώματα υποστηρίζουν βιοενεργητικά ένα γιγάντιο πυρηνικό γονιδίωμα, επιτρέποντας την εμφάνιση και την εξέλιξη των μοναδικών χαρακτηριστικών των ευκαρυωτικών κυττάρων, όπως ο πυρήνας και η φαγοκύττωση. Η αύξηση της διαθέσιμης ενέργειας ανά γονίδιο κατά 5-6 τάξεις μεγέθους ήταν ένα προαπαιτούμενο βήμα για την εμφάνιση των πολυκύτταρων μορφών ζωής. Εισαγωγή Παρά την τεράστια μοριακή και βιοχημική ευελιξία τους, τα προκαρυωτικά κύτταρα δεν έχουν εμφανίσει μορφολογική πολυπλοκότητα μέσα σε τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης, ενώ αντίθετα έχουν εμφανιστεί πολύπλοκοι πολυκύτταροι οργανισμοί σε τουλάχιστον έξι αποκλίνουσες ευκαρυωτικές ομάδες (Lane, N., et al., 2010). Η πολυπλοκότητα των ευκαρυωτικών οργανισμών δεν περιορίζεται στο πολυκυτταρικό οργανισμικό επίπεδο, αλλά βρίσκεται βαθιά μέσα στην δομή των ευκαρυωτικών κυττάρων: τα ευκαρυωτικά κύτταρα είναι πολύ μεγαλύτερα σε μέγεθος, εκφράζουν πολύ μεγαλύτερο γονιδίων, και είναι εξαιρετικά πιο πολύπλοκα δομημένα από τα προκαρυωτικά (Lane, N., 2015). Το χάσμα κυτταρικής πολυπλοκότητας μεταξύ των προκαρυωτικών και των ευκαρυωτικών οργανισμών είναι ακόμα πιο εκπληκτικό, καθώς δεν έχουν βρεθεί ενδιάμεσοι κρίκοι (Koonin, E. V., 2015), αντιπροσωπεύοντας τη μεγαλύτερη εξελικτική ασυνέχεια που υπάρχει στον σημερινό ζωντανό κόσμο (Sagan, L., 1967). H βιολογική αιτία που επιτρέπει αυτή την πολυπλοκότητα παραμένει άγνωστη και σχετίζεται άμεσα με την προέλευση των ευκαρυωτικών κυττάρων. Η πρώιμη εξέλιξη είναι ένα πολύ σημαντικό κομμάτι της ιστορίας της ζωής στη γη και η προέλευση των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι ένα από τα σημαντικότερα θέματα της πρώιμης εξέλιξης.

2 Η ζωή στη γη εμφανίστηκε πριν από περίπου 3,5-4 δισεκατομμύρια χρόνια (McInerney, J. O., et al., 2014). Οι ευκαρυώτες είναι μία μονοφυλετική ομάδα που σύμφωνα με το αρχείο των απολιθωμάτων εμφανίζονται για πρώτη φορά πριν από περίπου 1,6-1,8 δισεκατομμύρια χρόνια (McInerney, J. O., et al., 2014), ενώ επιπλέον -σύμφωνα με φυλογενετικές μελέτεςη ευκαρυωτική ποικιλότητα αναπτύχθηκε και διαχωρίστηκε στις κύριες ευκαρυωτικές υπερομάδες πριν από 1,7 δισεκατομμύρια χρόνια (Parfrey, L. W., et al., 2011). Όλοι οι ευκαρυώτες έχουν ή είχαν σε κάποιο στάδιο της εξέλιξής τους μιτοχόνδρια υποδεικνύοντας ότι πιθανότατα η εμφάνιση του μιτοχονδρίου και η εμφάνιση των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι ουσιαστικά το ίδιο γεγονός (Martin, W. F., 2017). Η άποψη αυτή έρχεται σε αντίθεση με την επικρατούσα θεωρία που υποστηρίζει ότι οι ευκαρυώτες είναι ένας πρωταρχικός χώρος ζωής που συγγενεύει με τον αρχαιοβακτηριακό χώρο ζωής (McInerney, J. O., et al., 2014). Τα πειραματικά δεδομένα εγείρουν σημαντικά ερωτήματα στην επικρατούσα θεωρία των τριών χώρων ζωής, στα οποία δεν μπορεί να δώσει ικανοποιητικές απαντήσεις. Αν οι ευκαρυώτες είναι ένας πρωταρχικός χώρος ζωής γιατί δεν έχουν βρεθεί απολιθώματα τους από τα πρώτα 2 δισεκατομμύρια χρόνια της ζωής στη γη, ενώ ταυτόχρονα έχουν βρεθεί πολλά προκαρυωτικά απολιθώματα από εκείνη την περίοδο; Επιπλέον, αν οι ευκαρυώτες υπήρχαν ως ξεχωριστή γενεαλογική γραμμή πριν από την απόκτηση των μιτοχονδρίων γιατί δεν συναντώνται σήμερα πρώιμες μορφές ευκαρυωτών που δεν φέρουν μιτοχόνδρια; Η υπόθεση που υποστηρίζει ότι οι πρώιμοι ευκαρυώτες που δεν είχαν μιτοχόνδρια οδηγήθηκαν σε εξαφάνιση λόγω ανταγωνισμού με τους πιο σύγχρονους ευκαρυώτες που είχαν, απορρίπτεται από την ύπαρξη των Archezoa (Lane, N., 2015). Τα Archezoa είναι μία ευκαρυωτική πολυφυλετική ομάδα η οποία αποτελείται από αναερόβιους οργανισμούς που έχουν χάσει τα μιτοχόνδριά τους. Στην πορεία εξέλιξης των ευκαρυωτών έχουν εμφανιστεί πολλαπλές φορές αναερόβιοι οργανισμοί που έχουν χάσει τα μιτοχόνδριά τους, αποδεικνύοντας ότι η συγκεκριμένη οικοθέση είναι πολύ πετυχημένη και ότι οι πρώιμοι αναερόβιοι ευκαρυώτες, αν υπήρχαν, δεν θα είχαν εξαφανιστεί λόγω ανταγωνισμού με τους ευκαρυώτες που φέρουν μιτοχόνδρια. Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται μία συμβιογενετική θεωρία που υποστηρίζει ότι οι ευκαρυώτες προέκυψαν από ένα μοναδικό ενδοσυμβιωτικό γεγονός μεταξύ δύο προκαρυωτών, το οποίο οδήγησε στην εμφάνιση του μιτοχονδρίου. Η εμφάνιση των μιτοχονδρίων προκάλεσε κατακόρυφη αύξηση της ενέργειας ανά γονίδιο, επιτρέποντας στους ευκαρυώτες να εξελίξουν και να εκφράσουν κατά 4-6 τάξεις μεγέθους περισσότερες πρωτεΐνες σε σύγκριση με τους προκαρυώτες. Με αυτό τον τρόπο, έγινε δυνατή η ενεργειακή υποστήριξη της πολυπλοκότητας των ευκαρυωτικών κυττάρων.

3 Ο κεντρικός ρόλος της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης στη ζωή Οι οργανισμοί απαιτούν τεράστια ποσά ενέργειας προκειμένου να εξασφαλίζουν την επιβίωσή τους (Lane, N., 2015). Το «ενεργειακό νόμισμα» της ζωής που χρησιμοποιείται από όλους τους οργανισμούς είναι το ATP. Ο μηχανισμός σύνθεσης του ATP είναι καθολικός για όλους τους οργανισμούς (Lane, N., 2015) και ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση. Στην πραγματικότητα, ο μηχανισμός αυτός αποτελείται από δύο επιμέρους διαδικασίες: την διαδικασία της οξειδοαναγωγικής μεταφοράς των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας στο μοριακό οξυγόνο και από την χημειωσμωτική διαδικασία σύνθεσης του ΑΤΡ. Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς, η σύνθεση του ATP πραγματοποιείται στην πλασματική μεμβράνη των κυττάρων, ενώ στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς πραγματοποιείται στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων. Η μεταφορά των ηλεκτρονίων της τροφής στο μοριακό οξυγόνο πραγματοποιείται μέσω ενός οξειδοαναγωγικού μηχανισμού κατά μήκος της αναπνευστικής αλυσίδας, η οποία αποτελείται από τέσσερα γιγάντια πρωτεϊνικά σύμπλοκα (σύμπλοκα Ι,ΙΙ,III και IV) και οδηγεί στο σχηματισμό μορίων νερού. Ένα ποσό της ελεύθερης ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη μεταφορά των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας χρησιμοποιείται για τη μεταφορά Η + από τη μιτοχονδριακή μήτρα στον διαμεμβρανικό χώρο του μιτοχονδρίου και από τον ενδοκυττάριο χώρο στον εξωκυττάριο χώρο, στους ευκαρυωτικούς και τους προκαρυωτικούς οργανισμούς αντίστοιχα. Η μεταφορά αυτή προκαλεί την δημιουργία μίας γραμμικής κλίσης συγκέντρωσης πρωτονίων ανάμεσα στις δύο πλευρές της μεμβράνης, η οποία αποτελεί την κινητήριο δύναμη για την σύνθεση ATP από ADP και Pi με τη δράση της ATP συνθάσης. Για το λόγο αυτό, ο μηχανισμός σύνθεσης του ATP ονομάζεται χημειωσμωτικός. Εικόνα 1:Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων σε ένα μιτοχόνδριο (Sazanov, L. A., 2015).

4 Η οξειδωτική φωσφορυλίωση έχει τεράστια σημασία για τη ζωή, καθώς είναι ο πρωταρχικός και κυρίαρχος μηχανισμός παραγωγής ενέργειας στους ζωντανούς οργανισμούς (Lane, N., 2015; Jackson, J. B., 2016): ο μόνος εναλλακτικός μηχανισμός είναι η αναερόβια ζύμωση, η οποία στηρίζεται εν μέρει στην οξειδωτική φωσφορυλίωση (Lane, N., 2015) και είναι ένας αναποτελεσματικός μηχανισμός παραγωγής ενέργειας. Η εμφάνιση του χημειωσμωτικού μηχανισμού παραγωγής ενέργειας θεωρείται ότι συμπίπτει με την εμφάνιση των πρώιμων κυττάρων (Sousa, F. L., et al., 2013; Herschy, B., et al., 2014) και σχετίζεται με την εμφάνιση του τελευταίου κοινού προγόνου όλων των οργανισμών, καθώς και με την απόκλιση μεταξύ του βακτηριακού και του αρχαίου χώρου ζωής (Lane, N., 2014). Με αυτή την έννοια, η ενέργεια έχει κεντρικό ρόλο στην εμφάνιση και την εξέλιξη της ζωής όπως την ξέρουμε. Τι είναι όμως αυτό που καθιστά την οξειδωτική φωσφορυλίωση τόσο σημαντική για τους οργανισμούς; Η απάντηση στο ερώτημα αυτό, είναι ότι η επιτυχία του μηχανισμού αυτού στηρίζεται πιθανότατα στην ευελιξία του: ένα μεγάλο εύρος πηγών και δεκτών ηλεκτρονίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο ίδιο λειτουργικό σύστημα με μικρές επιδράσεις στην ενεργειακή απόδοση (Lane, N., 2015). Με αυτό τον τρόπο, ο χημειωσμωτικός μηχανισμός επιτρέπει την μεταβολική προσαρμογή ενός οργανισμού σε σχεδόν οποιοδήποτε περιβάλλον και σε ελάχιστο χρόνο. Επιπλέον, η οξειδωτική φωσφορυλίωση επιτρέπει στα κύτταρα να αποθηκεύουν μικρές ποσότητες ενέργειας που διαφορετικά θα απελευθερώνονταν ως θερμότητα (Lane, N., 2015). Η συντριπτική πλειοψηφία των ευκαρυωτών παράγουν ενέργεια μέσω της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, η οποία επιτελείται στα μιτοχόνδριά τους. Ωστόσο, υπάρχει μία ομάδα αναερόβιων ευκαρυωτικών οργανισμών οι οποίοι δεν έχουν μιτοχόνδρια και για πολλά χρόνια θεωρήθηκε ότι αντιπροσωπεύουν τον ενδιάμεσο κρίκο ανάμεσα στους προκαρυωτικούς και τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς (Lane, N., 2015). Για το λόγο αυτό, ο διάσημος εξελικτικός βιολόγος Cavalier-Smith (1989) ονόμασε την ομάδα Archezoa, θεωρώντας ότι αντιπροσωπεύουν πολύ αρχαίες μορφές ευκαρυωτών. Αρχικά, η ανακάλυψή τους κατέρριψε το γεγονός ότι όλοι οι ευκαρυώτες έχουν μιτοχόνδριο και πρόσφερε ισχυρή υποστήριξη στην θεώρηση των τριών χώρων ζωής και στην φαγοκυτταρική υπόθεση της ενδοσυμβίωσης. Ωστόσο, τελικά αποδείχθηκε ότι τα Archezoa δεν είναι εξελικτικά ενδιάμεσες μορφές μεταξύ προκαρυωτών και ευκαρυωτών, αλλά πρόκειται για μία πολυφυλετική ομάδα η οποία έχει προκύψει ανεξάρτητα σε τουλάχιστον 20 διαφορετικές περιπτώσεις (Lane, N., 2015). Το κοινό χαρακτηριστικό όλων των μελών της ομάδας είναι ότι παράγουν αναερόβια την ενέργειά τους στα υδρογονοσώματα ή μιτοσώματα, τα οποία

5 αποδείχθηκε από μοριακές και φυλογενετικές μελέτες ότι έχουν προκύψει από τα μιτοχόνδρια (Poole, A., et al., 2007; van der Giezen M., 2009; Lane, N., 2015; Martin, W. F., 2015), μέσω απώλειας της λειτουργίας τους και όχι από κάποιο ενδοσυμβιωτικό γεγονός. Η απώλεια της λειτουργίας των μιτοχονδρίων οφείλεται σε απώλεια ολόκληρου του μιτοχονδριακού γονιδιώματος και επιλέχθηκε για την προσαρμογή σε απλούστερες οικοθέσεις. Με αυτή την έννοια, τα Archezoa αποτελούν ένα οικολογικό και όχι εξελικτικό ενδιάμεσο, δηλαδή αποδεικνύουν ότι η οικοθέση αυτή είναι βιώσιμη (Lane, N., 2015). Έτσι, όλοι οι ευκαρυώτες έχουν ή είχαν σε κάποιο στάδιο της εξέλιξής τους μιτοχόνδρια, υποδεικνύοντας ότι η προέλευση των ευκαρυωτών είναι στενά συνδεδεμένη με την εμφάνιση του μιτοχονδρίου. Σύντομη αναδρομή των ευκαρυογενετικών θεωριών Η προέλευση των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι από τα πιο αμφιλεγόμενα θέματα της σύγχρονης βιολογίας και έχει προταθεί πλήθος θεωριών που προσπαθούν να εξηγήσουν την ευκαρυογένεση, οι σημαντικότερες από αυτές τις θεωρίες είναι οι ενδοσυμβιωτικές καθώς υποστηρίζονται από τα μοριακά δεδομένα (McInerney, J. O., et al., 2014). Σύμφωνα με τη θεωρία της ενδοσυμβίωσης η οποία αναπτύχθηκε από την Lynn Margulis το 1967 (Sagan, L., 1967), η προέλευση των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι συνυφασμένη με την έννοια της «συνένωσης» μεταξύ δύο προκαρυωτικών οργανισμών, η οποία οδήγησε στην εμφάνιση του ευκαρυωτικού κυττάρου μέσω της δημιουργίας του μιτοχονδρίου (Sagan, L., 1967; Martin, W. F., 2017). Η θεώρηση της ζωής που επικράτησε από το 1980 περίπου κι έπειτα, βασίζεται στη θεωρία των τριών «χώρων ζωής» και στηρίχθηκε στην ανακάλυψη των αρχαιοβακτηρίων (Woese, C.R., et al., 1977). Σύμφωνα με τη θεωρία των τριών «χώρων ζωής», τα κυτταρικά στοιχεία και οργανίδια (εκτός από το μιτοχόνδριο) που καθιστούν ένα ευκαρυωτικό κύτταρο εξαιρετικά πολύπλοκο υπήρξαν σε αυτό από τα πρώιμα στάδια της εξέλιξής του και η εισδοχή του ενδοσυμβιώτη, που οδήγησε στην εμφάνιση του μιτοχονδρίου, συνέβη σε μία ήδη πολύπλοκη ευκαρυωτική γενεαλογική γραμμή (Woese, C. R., et al., 1977; Woese, C. R., et al., 1990; McInerney, J. O., et al., 2014; Martin, W. F., 2017). Με αυτή την έννοια, τα ευκαρυωτικά κύτταρα αποτελούν μία ανεξάρτητη γενεαλογική γραμμή που περιελάμβανε πολύπλοκα κύτταρα πολύ πριν τα μιτοχόνδρια εισέλθουν σε αυτά (Martin, W. F., 2017), γεγονός το οποίο φαίνεται να μη συμβαδίζει με τα δεδομένα που προκύπτουν από τις φυλογενετικές μελέτες των τελευταίων ετών (Williams, T. A., et al., 2013). Η δημοσίευση των Woese, R., et al. (1990) ήταν πολύ σημαντική καθώς καθιέρωσε τη θέση των Αρχαίων στο δέντρο της ζωής (Williams, T. A., et al., 2013), κατέδειξε την σύνδεσή τους με τα Ευκάρυα και εισήγαγε για πρώτη φορά τη χρήση αλληλουχιών συντηρημένων από την εξέλιξη γονιδίων στις φυλογενετικές μελέτες, ωστόσο υποβάθμισε

6 τη σημασία του ενδοσυμβιωτικού γεγονότος που οδήγησε στην εμφάνιση του μιτοχονδρίου στην εμφάνιση και την εξέλιξη των ευκαρυωτικών κυττάρων γενικότερα. Το δαχτυλίδι της ζωής Τα ευκαρυωτικά κύτταρα είναι χιμαιρικές και όχι πρωταρχικές μορφές ζωής. Η χιμαιρικότητα των ευκαρυωτών, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι υπάρχουν δύο και όχι τρεις πρωταρχικοί χώροι ζωής, οι οποίοι είναι προκαρυωτικοί και αποκλειστικά μικροβιακοί. Ο χιμαιρικός ευκαρυωτικός χώρος ζωής εμφανίστηκε πολύ πιο πρόσφατα από τους δύο πρωταρχικούς και σε αυτόν ανήκουν όλα τα πολύπλοκα κύτταρα. Η εξελικτική ιστορία της ζωής στη γη αναπαρίσταται καλύτερα ως δαχτυλίδι (Rivera, M. C., et al., 2004; Pisani, D., et al., 2007; Williams, T. A., et al., 2013; McInerney, J. O., et al., 2014; Lane, N., 2015; Martin, W. F., 2017), παρά ως δέντρο όπως ορίζει η κλασική θεώρηση των τριών χώρων ζωής (Woese, C. R., et al., 1990). Τα Βακτήρια και τα Αρχαία είναι παραφυλετικές ομάδες, ενώ οι Ευκαρυώτες είναι μονοφυλετική ομάδα (Williams, T. A., et al., 2013; McInerney, J. O., et al., 2014). Σύμφωνα με τα τελευταία φυλογενετικά δεδομένα, οι ευκαρυώτες προέκυψαν από ένα μοναδικό γεγονός ενδοσυμβίωσης μεταξύ ενός δυνητικά αναερόβιου α-πρωτεοβακτηρίου (Gray, M. W., et al., 2001; Schmidt, O., et al., 2010; Müller, M., et al., 2012) κι ενός πολύπλοκου αρχαίου ξενιστή που ανήκει στο υπέρφυλο TACK, το οποίο πιθανότατα πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια μίας μακράς συμβιωτικής σχέσης μεταξύ των δύο εταίρων, και οδήγησε στην εμφάνιση του μιτοχονδρίου. Όλοι οι ευκαρυώτες έχουν ή είχαν σε κάποιο στάδιο της εξέλιξής τους μιτοχόνδρια οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η εμφάνιση του μιτοχονδρίου και η εμφάνιση των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι το ίδιο γεγονός. Η δημιουργία ενδοκυτταρικής πολυπλοκότητας απαιτεί περισσότερη ενέργεια ανά γονίδιο από όση μπορούν να παράγουν οι προκαρυώτες. Τα μιτοχόνδρια προσέδωσαν στα ευκαρυωτικά κύτταρα μία τεράστια αύξηση της ενέργειας ανά γονίδιο, που τελικά εξηγεί γιατί η εμφάνιση των ευκαρυωτικών κυττάρων ταυτίζεται με την εμφάνιση των μιτοχονδρίων. Εικόνα 2: Το δαχτυλίδι της ζωής (McInerney, J. O., et al., 2014).

7 Η χιμαιρικότητα των ευκαρυωτικών γονιδιωμάτων Οι πρώτες ενδείξεις για την χιμαιρική προέλευση των ευκαρυωτικών κυττάρων δόθηκαν από τις φυλογενετικές μελέτες των γονιδιωμάτων τους, τα οποία έχουν χιμαιρική φύση (Pisani, D., et al., 2007; Williams, T. A., et al., 2013). Από τις πρώτες γονιδιωματικές μελέτες οι οποίες ξεκίνησαν πριν από περίπου δύο δεκαετίες, έγινε εμφανές ότι τα ευκαρυωτικά γονιδιώματα είναι χιμαιρικά, δηλαδή φέρουν γονίδια που είναι ομόλογα με γονίδια που συναντώνται τόσο σε βακτηριακά όσο και σε γονιδιώματα αρχαίων, αλλά και γονίδια που δεν συναντώνται ομόλογά τους σε προκαρυωτικά γονιδιώματα και υπάρχουν μόνο στα ευκαρυωτικά γονιδιώματα (Thiergart, T., et al., 2012; Lane, N., 2015; Spang, A., et al., 2015). Τα τελευταία αποτελούν την πλειοψηφία των γονιδίων των ευκαρυωτικών γονιδιωμάτων, ωστόσο ο αριθμός τους μειώνεται όσο οι φυλογενετικές υπολογιστικές μέθοδοι βελτιώνονται (Lane, N., 2015). Τα γονίδια που έχουν ομόλογα σε προκαρυωτικά γονιδιώματα προέρχονται κατά κύριο λόγο από ομάδες των Βακτηρίων, και λιγότερα από ομάδες των Αρχαίων (Rivera, M. C., et al., 2004; Thiergart, T., et al., 2012; Lane, N., 2015). Οι Rivera, et al. (1998) απέδειξαν ότι τα γονίδια των προκαρυωτικών οργανισμών κατανέμονται σε δύο λειτουργικές ομάδες που ακολουθούν διαφορετική εξελικτική ιστορία: τα «λειτουργικά» (operational) που εμπλέκονται σε διάφορες διαδικασίες του ενεργειακού μεταβολισμού του κυττάρου όπως η βιοσύνθεση αμινοξέων και λιπιδίων τα «πληροφοριακά» (informational) που εμπλέκονται σε βασικές διαδικασίες του κυττάρου όπως η αντιγραφή, η μεταγραφή και η μετάφραση. Στα ευκαρυωτικά γονιδιώματα, τα πληροφοριακά γονίδια προέρχονται κυρίως από τα Αρχαία, ενώ τα λειτουργικά γονίδια προέρχονται κυρίως από τα Βακτήρια (Rivera, et al., 1998; Rivera, M. C., et al., 2004). Επιπλέον, οι Cotton, et al. (2010) απέδειξαν ότι τα γονίδια του Saccharomyces cerevisiae που έχουν ομόλογα με τα Αρχαία τείνουν να έχουν μεγαλύτερη σημασία στον μεταβολισμό και την λειτουργία των ευκαρυωτικών κυττάρων σε σύγκριση με αυτά που έχουν ομολογία με των Βακτηρίων, ανεξάρτητα από την λειτουργική ομάδα στην οποία ανήκουν. Πιο συγκεκριμένα, τα γονίδια που προέρχονται από τα αρχαία έχουν υψηλότερα επίπεδα έκφρασης και μεγαλύτερη σημασία στα δίκτυα πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, ενώ επιπλέον η έλλειψή τους οδηγεί σε μεγαλύτερη πιθανότητα θνησιμότητας για τα κύτταρα, σε σύγκριση με τα γονίδια βακτηριακής προέλευσης (Cotton, J. A., et al., 2010). Με αυτή την έννοια, υπάρχει έντονη συσχέτιση της σημασίας των ομόλογων γονιδίων με την προέλευσή τους, ανεξάρτητα από την λειτουργία τους (Cotton, J. A., et al.,2010) και ο κάθε εταίρος της ενδοσυμβίωσης είχε διαφορετικό και καλά διακριτό ρόλο στην διαμόρφωση των γονιδιακών δικτύων των ευκαρυωτικών κυττάρων. Τα γονίδια που προήλθαν από τα Αρχαία ήταν τα προγονικά συστατικά του πυρηνικού γονιδιώματος, τα οποία μετά το

8 ενδοσυμβιωτικό γεγονός σχημάτισαν τα θεμέλια του μεταβολισμού του ευκαρυωτικού κυττάρου, ενώ αντίθετα τα γονίδια βακτηριακής προέλευσης είχαν περισσότερο περιφερειακό ρόλο καθώς ήταν δύσκολο να αντικαταστήσουν τα ήδη υπάρχοντα γονίδια του κυττάρουξενιστή λόγω αρνητικής επιλογής (Cotton, J. A., et al., 2010). Οι Thiergart, et al. (2012) απέδειξαν ότι τα γονίδια του ευκαρυωτικού κοινού προγόνου παρουσιάζουν ομολογία με 20 διαφορετικές ομάδες Βακτηρίων και με 5 διαφορετικές ομάδες Αρχαίων αντίστοιχα. Λόγω της έλλειψης πειραματικών και μορφολογικών δεδομένων που να υποδεικνύουν ή να δικαιολογούν πολλαπλά γεγονότα ενδοσυμβίωσης και δεδομένου του γεγονότος ότι τα γεγονότα οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς είναι σπάνια, το πιθανότερο σενάριο είναι ότι η ευκαρυογένεση βασίζεται σε ένα μοναδικό γεγονός ενδοσυμβίωσης και η ομολογία των ευκαρυωτικών γονιδίων με πολλαπλές ομάδες προκαρυωτών οφείλεται σε εκτεταμένη οριζόντια μεταφορά γονιδίων που έλαβε χώρα μεταξύ των προκαρυωτών μετά το γεγονός της ενδοσυμβίωσης, οδηγώντας σε αναδιαμόρφωση των προκαρυωτικών γονιδιωμάτων. Το γονιδίωμα των εταίρων του ενδοσυμβιωτικού γεγονότος δεν αντιστοιχεί σε κάποια σύγχρονη προκαρυωτική ομάδα (Lane, N., 2015). Επιπλέον, το γεγονός ότι η πλειοψηφία των ευκαρυωτικών γονιδίων δεν εμφανίζει ομολογία με κάποια προκαρυωτική ομάδα είναι αποτέλεσμα ταχείας εξελικτικής απόκλισης των αλληλουχιών τους από τα προγονικά προκαρυωτικά γονίδια λόγω προσαρμογής, προκειμένου να εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες στις νέες οικοθέσεις που καλύφθηκαν με την εμφάνιση των ευκαρυωτικών οργανισμών (Thiergart, T., et al., 2012; Lane, N., 2015). Εικόνα 3: Τα ευκαρυωτικά γονίδια που έχουν ομόλογα σε προκαρυωτικά γονιδιώματα είναι διεσπαρμένα στους προκαρυωτικούς χώρους ζωής (Thiegart, T., et al., 2012).

9 Tο κύτταρο-ξενιστής Οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί θεωρούνται ότι είναι συγγενικοί ή προέρχονται από μέλη του αρχαιοβακτηριακού υπέρφυλου TACK (Williams, T. A., et al., 2013). Το υπέρφυλο TACK αποτελείται από τα αρχαιοβακτηριακά φύλα Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota και Korarchaeota (Guy, L., et al., 2011; Williams, T. A., et al., 2013) και σε αυτό έχουν βρεθεί ομόλογα των ευκαρυωτικών γονιδίων που κωδικοποιούν για ακτίνη και τουμπουλίνη, για πρωτεΐνες σχετιζόμενες με τα ενδοσωμικά σύμπλοκα διαλογής (Spang, A., et al., 2015) και για «πληροφοριακές» πρωτεΐνες που σχετίζονται με την αντιγραφή, τη μεταγραφή και τη μετάφραση του κυττάρου, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω. Οι Spang, et al. (2015) με μεταγονιδιωματικές μελέτες σε ιζήματα της βαθιάς θάλασσας στον Αρκτικό ωκεανό ταυτοποίησαν το γονιδίωμα ενός νέου αρχαιοβακτηριακού φύλου που ονομάστηκε Lokiarcheota και φέρει πολλά από τα χαρακτηριστικά των ευκαρυωτών. Σύμφωνα με βαθιές φυλογενετικές αναλύσεις βάσει των ριβοσωμικών πρωτεϊνών, το φύλο αυτό σε του αποδείχθηκε ότι είναι μονοφυλετική ομάδα με το υπέρφυλο TACK και τον ευκαρυωτικό χώρο ζωής (Spang, A., et al., 2015). Κατά την ανάλυση του γονιδιώματός του, βρέθηκαν ομόλογα γονιδίων που θεωρούνταν μοναδικά στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, όπως αυτά που κωδικοποιούν για ακτίνη (τα ομόλογα αυτά είχαν μεγαλύτερη συγγένεια με τις ευκαρυωτικές ακτίνες και τις ευκαρυωτικές πρωτεΐνες σχετιζόμενες με ακτίνη απ ότι με άλλες αρχαιοβακτηριακές ακτίνες που έχουν βρεθεί και ονομάζονται κρενακτίνες) (Spang, A., et al., 2015), για ένα μεγάλο αριθμό Ras GTPασών, για πρωτεΐνες Εικόνα 4: Το φύλο Lokiarcheota είναι μονοφυλετική ομάδα με τα Ευκάρυα (Spang, A., et al., 2015). με domain ουβικιτίνης (Spang, A., et al., 2015; Sousa, F. L., et al., 2016) καθώς και για ένα πρώιμο σύμπλοκο ESCRT (Spang, A., et al., 2015). Αυτό το φύλο είναι ο κοντινότερος συγγενής του πολύπλοκου αρχαίου ξενιστή του ενδοσυμβιωτικού γεγονότος

10 (Sousa, F. L., et al., 2016) και ως εκ τούτου, ο κοντινότερος συγγενής των ευκαρυωτών που έχει βρεθεί (Spang, A., et al., 2015). Ο μηχανισμός της ενδοσυμβίωσης Ο μηχανισμός της ενδοσυμβίωσης είναι ένα έντονα αμφιλεγόμενο θέμα. Έχουν αναπτυχθεί πολλές θεωρίες που υποστηρίζουν ότι το βακτήριο εισήλθε μέσα στο αρχαίο μέσω ενός μηχανισμού φαγοκύττωσης (Duve, C. D., 2007; Poole, A., et al., 2007; Yutin, N., et al., 2009; Cavalier-Smith, T., 2010; Koonin, E. V., 2015; Spang, A., et al., 2015), και οι οποίες στηρίζονται από γονιδιωματικά δεδομένα τα οποία υποδεικνύουν πιθανές πρωτόγονες φαγοκυτταρικές ικανότητες μέσω των πρωτεϊνών των συμπλόκων ESCRT (Spang, A., et al., 2015). Ωστόσο, στα αρχαία που έχουν μελετηθεί έως σήμερα οι πρωτεΐνες αυτές δεν συμμετέχουν σε φαγοκυττικές διαδικασίες, αλλά στον μηχανισμό διαίρεσης του κυττάρου (Sousa, F. L., et al., 2016). Επιπλέον, υπάρχει ένας τουλάχιστον σοβαρός λόγος για τον οποίο οι προκαρυωτικοί οργανισμοί δεν θα μπορούσαν να έχουν φαγοκυτταρικές ικανότητες: δεν έχουν μιτοχόνδρια και υποχρεωτικά παράγουν την ενέργειά τους μέσω χημειώσμωσης στην κυτταρική τους μεμβράνη. Επειδή η φαγοκύττωση είναι μία διαδικασία η οποία απαιτεί άμεση εμπλοκή της μεμβράνης, είναι αρκετά οξύμωρο οι προκαρυωτικοί οργανισμοί να περιορίζουν με αυτό τον τρόπο την παραγωγή ενέργειας, από τη στιγμή μάλιστα που δεν έχει βρεθεί καμία απόδειξη του γεγονότος αυτού, ούτε έχει παρατηρηθεί έως σήμερα προκαρυώτης, είτε βακτήριο είτε αρχαίο, που πραγματοποιεί φαγοκυττάρωση (Martin, W. F., 2017). Αντιθέτως, έχουν παρατηρηθεί συμβιωτικές σχέσεις οι οποίες μπορούν να καταλήξουν σε ενδοσυμβιώσεις μεταξύ προκαρυωτών (Von Dohlen, C. D., et al., 2001), υποδεικνύοντας ότι η φαγοκύττωση δεν ήταν ένας απαραίτητος μηχανισμός για την πρόσληψη του βακτηριακού ενδοσυμβιώτη από τον αρχαιοβακτηριακό ξενιστή (Martin, W. F., 2017). Τέλος, η ανάλυση του γονιδιώματος του Lokiarcheota αποκάλυψε την ύπαρξη του H4MPT-εξαρτώμενου Wood Ljungdahl μεταβολικού μονοπατιού που υποδεικνύει ότι ο αρχαιοβακτηριακός ξενιστής ήταν ένας αναερόβιος υδρογονοεξαρτώμενος αυτότροφος και όχι φαγότροφος προκαρυώτης (Sousa, F. L., et al., 2016; Martin, W. F., 2017). Ενέργεια ανά γονίδιο Η βιολογία βασίζεται στην έννοια της πληροφορίας. Τα γονιδιώματα των οργανισμών φέρουν όλη την απαραίτητη πληροφορία που απαιτείται για την εντυπωσιακή βιοποικιλότητα της ζωής. Η διαθεσιμότητα του ολοένα αυξανόμενου αριθμού των προσδιορισμένων γονιδιωμάτων απέδειξαν ότι το μέγεθος και η δομή των γονιδιωμάτων έχουν τεράστια ποικιλία και αναδιαμορφώνονται συνεχώς στο μοριακό επίπεδο από διάφορους απρόβλεπτους μηχανισμούς, όπως γονιδιακούς και

11 γονιδιωματικούς διπλασιασμούς, καθώς και αναστροφές και ελλείψεις του γονιδιώματος. Επιπλέον, η επιλογή αυτών των γονιδιωματικών χαρακτηριστικών καθορίζεται από μία τεράστια πληθώρα συνεχώς μεταβαλλόμενων και απρόβλεπτων παραγόντων. Με αυτή την έννοια, η πληροφορία με τη μορφή της αλληλουχίας δεν έχει θεμελιώδεις περιορισμούς. Αντίθετα, η ζωή στη γη έχει ενδογενείς περιορισμούς που σχετίζονται με τον μηχανισμό της παραγωγής ενέργειας στα κύτταρα. Η μορφολογική πολυπλοκότητα δεν είναι αποτέλεσμα μόνο της πληροφορίας, αλλά απαιτεί και τα κατάλληλα ποσά ενέργειας. Τα πολύπλοκα κύτταρα εμφανίστηκαν μόνο μία φορά σε τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης και φέρουν πολλά χαρακτηριστικά τα οποία δεν συναντώνται στους προκαρυωτικούς οργανισμούς, όπως η μείωση, η μίτωση, ο κυτταρικός κύκλος, το ενδοπλασματικό δίκτυο (ER), το σύμπλεγμα Golgi και ο κυτταροσκελετός (Martin, W. F., 2017), ή συναντώνται σε πρώιμες ή ομοιάζουσες μορφές με των ευκαρυωτών αλλά ποτέ όλα μαζί στο ίδιο κύτταρο, όπως οι πυρηνόμορφες δομές, ο ανασυνδυασμός, τα γραμμικά χρωμοσώματα, οι εσωτερικές μεμβράνες, η ακραία πολυπλοειδία, τα ιντρόνια και τα εξόνια, και οι ενδοκυττικές διαδικασίες (Lane, N., et al., 2010). Επιπλέον, δεν συναντώνται ενδιάμεσες μορφές ανάμεσα στους προκαρυωτικούς και τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Τι επέτρεψε λοιπόν την δημιουργία πολυπλοκότητας στα ευκαρυωτικά κύτταρα; Η απάντηση βρίσκεται στα μιτοχονδριακά γονίδια και το μηχανισμό της ενδοσυμβίωσης που οδήγησε σε αναδιανομή του DNA του κυττάρου. Τα μιτοχονδριακά γονίδια επέτρεψαν την οξειδωτική φωσφορυλίωση σε μια ευρεία περιοχή εσωτερικών μεμβρανών του ευκαρυωτικού κυττάρου, οδηγώντας σε αύξηση της ενέργειας ανά γονίδιο κατά περίπου φορές σε σύγκριση με τους προκαρυωτικούς οργανισμούς. Ο μέσος μεταβολικός ρυθμός ανά γραμμάριο (J s -1 g -1 ) στα βακτήρια είναι τρεις φορές μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο ενός μέσου μονοκύτταρου πρωτόζωου (Lane, N., et al., 2010). Ωστόσο, ένα γραμμάριο βακτηρίων αποτελείται από πολύ μεγαλύτερο αριθμό κυττάρων σε σύγκριση με ένα γραμμάριο ευκαρυωτικών κυττάρων, καθώς ο όγκος ενός μέσου πρωτόζωου είναι φορές μεγαλύτερος από τον όγκο ενός βακτηρίου (Lane, N., et al., 2010; Lane, N., 2014). Έτσι, αν υπολογίσουμε την ενέργεια ανά κύτταρο, ένα μέσο πρωτόζωο έχει 5000 φορές περισσότερη ενέργεια από ένα βακτήριο (Lane, N., et al., 2010; Lane, N., 2014). Τι αντανακλά όμως αυτή η διαφορά της ενέργειας ανά κύτταρο; Τα προκαρυωτικά κύτταρα δεν μπορούν να υποστηρίξουν ενεργειακά ευκαρυωτικού μεγέθους γονιδιώματα. Κατά την μετάβαση από τα προκαρυωτικά στα ευκαρυωτικά κύτταρα, τα γονιδιώματα αυξήθηκαν τουλάχιστον φορές (Lane, N., et al., 2010). Παρόλο που έχουν πολύ μεγαλύτερα γονιδιώματα, τα ευκαρυωτικά κύτταρα δεν έχουν μικρότερη ενέργεια ανά μεγαβάση DNA σε σύγκριση με τα προκαρυωτικά κύτταρα, αλλά ίση ή περισσότερη (εντός της ίδιας τάξης μεγέθους), και το γεγονός αυτό ισχύει ακόμη κι αν

12 προστεθεί η συνολική ποσότητα όλων των μιτοχονδριακών γονιδιωμάτων ενός ευκαρυωτικού κυττάρου (Lane, N., et al., 2010). Τα ευκαρυωτικά γονιδιώματα έχουν ολότελα διαφορετική δυναμική από τα προκαρυωτικά και η αύξηση του μεγέθους τους δεν αντιστοιχεί σε ισοδύναμη αύξηση του αριθμού των γονιδίων τους, αλλά σε προσθήκη μεγάλων ποσοτήτων μη κωδικού DNA, εισάγοντας μεγάλο αριθμό ρυθμιστικών περιοχών και στοιχείων. Αντιθέτως, τα βακτήρια δεν έχουν την ικανότητα να υποστηρίξουν ενεργειακά την συσσώρευση ρυθμιστικών μη κωδικών αλληλουχιών στα γονιδιώματά τους (Lane, N., et al., 2010). Αν το γονιδίωμα ενός βακτηρίου μεγεθυνθεί σε ευκαρυωτικά μεγέθη και το μέγεθος του κυττάρου παραμείνει σταθερό, η ενέργεια ανά μεγαβάση DNA θα γίνει σχεδόν 5000 φορές μικρότερη από την αντίστοιχη των ευκαρυωτικών, καθώς η ενέργεια που παράγεται δεν θα μεταβληθεί αφού οι προκαρυώτες παράγουν ενέργεια από τις μεμβράνες τους (Lane, N., et al., 2010; Lane, N., 2014). Αυτοί οι βιοενεργητικοί περιορισμοί οδηγούν σε μικρού μεγέθους γονιδιώματα με υψηλή γονιδιακή πυκνότητα, περίπου γονίδια ανά Mb, σε αντίθεση με τα ευκαρυωτικά γονιδιώματα που έχουν κατά μέσο όρο 12 γονίδια ανά Mb. Τα μικρού μεγέθους και υψηλής γονιδιακής πυκνότητας βακτηριακά γονιδιώματα έχουν διαμορφωθεί κυρίως με εξάλειψη της πλειοψηφίας των διαγονιδιακών και ενδογονιδιακών περιοχών, με οργάνωση των γονιδίων σε οπερόνια και με περιορισμό του μέσου μήκους των πρωτεϊνών (Lane, N., et al., 2010). Οι σημαντικότεροι βιοενεργητικοί περιορισμοί των προκαρυωτικών οργανισμών σχετίζονται με την σύνθεση των πρωτεϊνών του κυττάρου, και πιο συγκεκριμένα με την ενέργεια ανά γονίδιο. Ο όρος «ενέργεια ανά γονίδιο» αντιπροσωπεύει το κόστος της έκφρασης του γονιδίου (Lane, N., et al., 2010). Τα κύτταρα αποτελούνται κυρίως από πρωτεΐνες και η σύνθεση των πρωτεϊνών είναι μία πολύ ακριβή ενεργειακά διαδικασία, καθώς η δημιουργία ενός πεπτιδικού δεσμού κοστίζει 5 μόρια ATP (Lane, N., 2015). Στα μικροβιακά κύτταρα, η πλειοψηφία της ενέργειας χρησιμοποιείται για την παραγωγή πρωτεϊνών του κυττάρου, σε ποσοστό 75-80% (Harold, F. M., 1986; Lane, N., et al., 2010). Επομένως, με την παραδοχή ότι το σύνολο του ATP του κυττάρου χρησιμοποιείται για τη σύνθεση πρωτεϊνών, συμπεραίνουμε ότι ένα ευκαρυωτικό κύτταρο έχει 5000 φορές περισσότερη ενέργεια για τη σύνθεση πρωτεϊνών από ένα προκαρυωτικό κύτταρο (Lane, N., 2014). Ένα μέσο προκαρυωτικό γονιδίωμα έχει 5000 γονίδια ενώ ένα μέσο ευκαρυωτικό γονιδίωμα έχει γονίδια (Lane, N., et al., 2010). Επειδή κάθε γονίδιο κωδικοποιεί μία πρωτεΐνη και με την παραδοχή ότι όλα τα γονίδια εκφράζονται (παρά τις αλλαγές της γονιδιακής έκφρασης), ένα ευκαρυωτικό γονίδιο έχει περίπου 1200 φορές περισσότερη ενέργεια από ένα προκαρυωτικό γονίδιο (Lane, N., et al., 2010). Με αυτή την έννοια, ένα μέσο ευκαρυωτικό γονίδιο μπορεί να εκφραστεί σε 1200 φορές μεγαλύτερη ποσότητα από ένα μέσο προκαρυωτικό γονίδιο. Αν ο αριθμός των γονιδίων ενός μέσου προκαρυωτικού γονιδιώματος ισοσταθμιστεί με τον αριθμό των γονιδίων ενός μέσου ευκαρυωτικού γονιδιώματος, από 5000 σε γονίδια, τότε η ενέργεια ανά γονίδιο γίνεται 4600 φορές

13 μικρότερη από αυτή του ευκαρυωτικού κυττάρου (Lane, N., et al., 2010). Επομένως, οι ευκαρυώτες έχουν σχεδόν 5000 φορές περισσότερη ενέργεια ανά γονίδιο σε σύγκριση με τους προκαρυώτες (Lane, N., et al., 2010; Lane, N., 2014; Lane, N., 2015). Η αύξηση του αριθμού των διαφορετικών πρωτεϊνών κατά 4 φορές με σταθερή την ποσότητα της παραγόμενης ενέργειας, απαιτεί την μείωση της παραγωγής της κάθε πρωτεΐνης κατά 4 φορές, γεγονός που οδηγεί σε μία δύσκολα βιώσιμη κατάσταση, λόγω της διατάραξης θεμελιωδών διαδικασιών του κυττάρου, με σημαντικότερες: α) τη μετάφραση λόγω μείωσης του αριθμού των ριβοσωμάτων, β) την ικανότητα μεταβολισμού του άνθρακα λόγω μείωσης της ενεργότητας των ενζύμων, και γ) την αναπνευστική ικανότητα λόγω μείωσης του αριθμού των αντιγράφων των υπομονάδων που σχηματίζουν τα σύμπλοκα της αναπνευστικής αλυσίδας. Το εμπόδιο αυτό δεν μπορεί να ξεπεραστεί με τη σύνθεση ολιγοαντιγραφικών ρυθμιστικών πρωτεϊνών, καθώς η μειωμένη παραγωγή ριβοσωμάτων δρα ως περιοριστικός παράγοντας της ικανότητας του κυττάρου να συνθέτει πρωτεΐνες (Lane, N., et al., 2010). Έτσι, συμπεραίνουμε ότι το μέγεθος και ο αριθμός των γονιδίων των προκαρυωτικών γονιδιωμάτων βρίσκονται υπό την συγκεκριμένων βιοενεργητικών περιορισμών: το κατώτερο όριο καθορίζεται από τον ελάχιστο αριθμό των γονιδίων που απαιτούνται για την ύπαρξη ελεύθερης ζωής, ενώ το ανώτατο όριο καθορίζεται από τους βιοενεργητικούς περιορισμούς. Ωστόσο, αν δεν ληφθεί υπόψη και ο όγκος του κυττάρου, θα μπορούσε να πει κανείς ότι η πρόσθετη ενέργεια ανά γονίδιο των ευκαρυωτικών κυττάρων αντανακλά την αύξηση του μεγέθους του κυττάρου και δεν αντικατοπτρίζει το χάσμα πολυπλοκότητας μεταξύ ενός προκαρυωτικού και ενός ευκαρυωτικού κυττάρου. Αν ο όγκος ενός προκαρυωτικού κυττάρου ισοσταθμιστεί με τον όγκο ενός ευκαρυωτικού κυττάρου τότε η ενέργεια ανά γονίδιο μειώνεται δραματικά, έως και φορές, και η μείωση αυτή πηγάζει από τον λόγο μεταξύ της επιφάνειας και του όγκου του κυττάρου. Για την απόδειξη αυτού ακολουθούν ορισμένοι υπολογισμοί. Χάριν ευκολίας, τα κύτταρα θα θεωρηθούν σφαιρικά. Κατά την ισοστάθμιση του όγκου ενός βακτηρίου ή αρχαίου με ένα ευκαρυωτικό μονοκύτταρο πρωτόζωο, η ακτίνα του κυττάρου αυξάνεται κατά 25 φορές, επομένως η επιφάνεια κατά 625 φορές και ο όγκος κατά φορές (Lane, N., 2014). Η αύξηση του όγκου του κυττάρου οδηγεί σε αύξηση του ενεργειακού κόστους του κυττάρου κατά φορές, το οποίο οδηγεί σε αύξηση του αριθμού των απλοειδών γονιδιωμάτων κατά φορές, καθώς τα προκαρυωτικά γονιδιώματα βρίσκονται κοντά στη μέγιστη αποδοτικότητά τους (Lane, N., 2014). Έτσι, επειδή η παραγόμενη ενέργεια αυξάνεται 625 φορές, αλλά ο αριθμός των γονιδιωμάτων κατά φορές, η ενέργεια ανά γονίδιο μειώνεται κατά 25 φορές. Επομένως, ένα βακτήριο με ισοσταθμισμένο μέγεθος γονιδιώματος και όγκο κυττάρου με ένα ευκαρυωτικό κύτταρο θα έχει = φορές λιγότερη ενέργεια ανά γονίδιο από ένα μέσο ευκαρυωτικό κύτταρο. Η διαφορά αυτή αυξάνεται για μεγαλύτερα

14 ευκαρυωτικά κύτταρα, όπως η αμοιβάδα, με αποτέλεσμα να φθάνει έως και παραπάνω από φορές περισσότερη ενέργεια ανά γονίδιο από ένα ευκαρυωτικού μεγέθους βακτήριο. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, συμπεραίνουμε ότι ένα βακτήριο ευκαρυωτικού μεγέθους θα πρέπει να έχει περίπου πέντε τάξεις μεγέθους λιγότερη ενέργεια ανά γονίδιο από ένα ευκαρυωτικό κύτταρο (Lane, N., et al., 2010; Lane, N., 2014). Τα μικρά βακτήρια που φέρουν μικρά γονιδιώματα δεν είναι περιορισμένα ενεργητικά (Lane, N., 2015). Εάν τα βακτήρια αναχθούν στις ευκαρυωτικές αναλογίες, η διαθέσιμη ενέργεια ανά γονίδιο πέφτει δραματικά, επειδή η σύνθεση ΑΤΡ εξαρτάται από την επιφάνεια των βιοενεργητικών μεμβρανών τους, ενώ το κόστος της πρωτεϊνικής σύνθεσης εξαρτάται από τον όγκο των κυττάρων. Η κατοχή των μιτοχονδρίων επέτρεψε τους ευκαρυώτες να ξεπεράσουν τους ενεργειακούς περιορισμούς των προκαρυωτών και να υποστηρίξουν ενεργειακά ένα γιγάντιο πυρηνικό γονιδίωμα. Οι ευκαρυώτες χρησιμοποίησαν την πρόσθετη ενέργεια για να αυξήσουν το μέγεθος του γονιδιώματός τους και την ποσοτική έκφραση των γονιδίων τους. Η αναντιστοιχία ανάμεσα στην αύξηση της ενέργειας του ευκαρυωτικού κυττάρου και του αριθμού των γονιδίων που φέρει στο γονιδίωμά του, οδηγεί σε μία κατακόρυφη αύξηση της ενέργειας ανά γονίδιο στα ευκαρυωτικά κύτταρα, ή διαφορετικά επιτρέπει την κατακόρυφη αύξηση της παραγόμενης ποσότητας μίας πρωτεΐνης, στοιχείο το οποίο σε συνδυασμό με την αύξηση των ρυθμιστικών αλληλουχιών επιτρέπει την εμφάνιση της ευκαρυωτικής πολυπλοκότητας. Η ανικανότητα προσθήκης ρυθμιστικών μη κωδικών περιοχών στο γονιδίωμα και υποστήριξης μεγαλύτερου αριθμού γονιδίων δεν επιτρέπει την προσθήκη νέων γονιδίων στους προκαρυώτες, όπως παρατηρείται στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς που έχουν εμφανιστεί περισσότερες από 3000 νέες γονιδιακές οικογένειες σε σύγκριση με τους προκαρυωτικούς οργανισμούς και προσδίδουν το γενετικό υπόβαθρο για τον σχηματισμό πολύπλοκων πρωτεϊνικών και γονιδιακών δικτύων. Πώς όμως ξέφυγαν οι ευκαρυώτες από αυτούς τους βιοενεργητικούς περιορισμούς; Απώλεια γονιδίων και ενεργειακά οφέλη Η διαφορά μεταξύ προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών κυττάρων στηρίζεται στα μιτοχόνδρια. Οι ενεργειακοί περιορισμοί των προκαρυωτών αποδεικνύουν ότι η ενδοσυμβίωση είναι απαραίτητη για την εμφάνιση και την εξέλιξη πολύπλοκων μορφών ζωής. Τα μιτοχόνδρια είναι τα υπεύθυνα οργανίδια για την παραγωγή της ενέργειας του ευκαρυωτικού κυττάρου, ενώ ταυτόχρονα συμμετέχουν και σε πολλαπλά μεταβολικά και σηματοδοτικά μονοπάτια του ευκαρυωτικού κυττάρου (Schmidt, O., et al., 2010). Μία από τις κινητήριες εξελικτικές δυνάμεις που επιδρούν στα προκαρυωτικά γονιδιώματα είναι η απώλεια γονιδίων (Kunin, V., et al., 2003). Στα βακτήρια η χρονική διάρκεια κάθε γενιάς είναι πολύ μικρή, με αποτέλεσμα το τάχος αύξησης να αποκτά πολύ μεγάλη σημασία

15 για την επιλογή. Το τάχος αύξησης επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τον αριθμό των γονιδίων και το μέγεθος του γονιδιώματος ενός βακτηρίου. Πιο συγκεκριμένα, βακτήρια με μικρότερα γονιδιώματα που φέρουν μικρό αριθμό γονιδίων τείνουν να έχουν μεγαλύτερη αρμοστικότητα από βακτήρια που έχουν μεγαλύτερο αριθμό γονιδίων. Η απώλεια γονιδίων οδηγεί σε αύξηση του τάχους αύξησης λόγω εξάλειψης της αντιγραφής και της έκφρασης περιττών γονιδίων που προσδίδουν ενεργειακό κόστος στο βακτήριο (Koskiniemi, S., et al., 2012). Σε ένα φυσικό περιβάλλον όπου οι συνθήκες μεταβάλλονται συνεχώς, η επιλογή εναλλάσσεται μεταξύ της απώλειας και της απόκτησης γονιδίων μέσω οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων. Έτσι, με την πάροδο του χρόνου τα βακτηριακά γονιδιώματα σταθεροποιούνται στο μικρότερο δυνατό μέγεθος, ενώ ταυτόχρονα έχουν πρόσβαση σε μία πολύ μεγαλύτερη γονιδιακή δεξαμενή, η οποία διαμορφώνεται εντός ενός πληθυσμού και των γειτονικών του (Lane, N., 2015). Αντίθετα, η επιλογή σε συνθήκες ενδοσυμβίωσης είναι εντελώς διαφορετική από αυτή που περιγράφηκε. Σε αντίθεση με το φυσικό περιβάλλον, το κυτταρόπλασμα ενός κυττάρου είναι ένα πολύ σταθερό περιβάλλον στο οποίο υπάρχει σταθερή παροχή θρεπτικών συστατικών (Lane, N., 2015). Η δυσκολία έγκειται στην εγκαθίδρυση της ενδοσυμβιωτικής σχέσης, γεγονός το οποίο μπορεί να βοηθήσει στην εξήγηση της μοναδικότητας του ενδοσυμβιωτικού γεγονότος που οδήγησε στην εμφάνιση των ευκαρυωτικών κυττάρων. Σε ένα πληθυσμό βακτηριακών ενδοσυμβιωτών η απώλεια γονιδίων είναι ο καθοριστικότερος παράγοντας επιλογής των ατόμων, όπως έχει αποδειχθεί για πολλές περιπτώσεις υποχρεωτικά ενδοκυτταρικών ενδοσυμβιωτών (Brandvain, Y., et al., 2009). Επειδή το κυτταρόπλασμα είναι πολύ σταθερό περιβάλλον στο οποίο δεν υπάρχει ανάγκη επαναπόκτησης των γονιδίων που έχουν χαθεί σε προηγούμενες γενιές ή άλλων γονιδίων που σχετίζονται με την επιβίωση των ατόμων στις νέες συνθήκες (όπως για παράδειγμα τα γονίδια ανθεκτικότητας σε αντιβιοτικά), σταδιακά τα γονιδιώματα των ενδοσυμβιωτικών βακτηρίων συρρικνώνονται (Lane, N., 2014). Αυτό ακριβώς συνέβη και στην περίπτωση του ενδοσυμβιώτη που οδήγησε στην εμφάνιση του μιτοχονδρίου. Η απώλεια γονιδίων επί συνεχόμενες γενιές είχε ως αποτέλεσμα ο αριθμός των γονιδίων να γίνει μικρότερος από τον ελάχιστο αριθμό γονιδίων που απαιτούνται για την ύπαρξη ελεύθερης ζωής με αποτέλεσμα την πλήρη εξάρτηση του βακτηρίου από το κύτταρο-ξενιστή, υποβαθμίζοντας τελικά το πρωτεοβακτήριο που ενδοσυμβιώθηκε σε μιτοχόνδριο (Lane, N., 2014). Τα ενεργειακά οφέλη των μιτοχονδρίων για το ευκαρυωτικό κύτταρο είναι εκπληκτικά. Το γονιδιώματος ενός μέσου α-πρωτεοβακτηρίου περιέχει περίπου 4000 γονίδια. Όταν ένα βακτήριο ενδοσυμβιωθεί, μερικά από τα γονίδιά του, όπως αυτά που απαιτούνται για τη σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος, καθίστανται περιττά. Τα γονίδια αυτά αποτελούν περίπου το 5% επί του συνολικού αριθμού των γονιδίων. Αν ένα κύτταρο περιέχει έναν πληθυσμό βακτηριακών ενδοσυμβιωτών 100 ατόμων και το 5% των γονιδίων χάνονταν από

16 όλους αυτούς τους ενδοσυμβιώτες, επειδή μία μέση πρωτεΐνη αποτελείται από 250 αμινοξέα και βρίσκεται σε 2000 αντίγραφα στο κύτταρο, συνολικά το κόστος της πρωτεϊνικής σύνθεσης μειώνεται κατά 50 δισεκατομμύρια μόρια ATP ανά 24 ώρες, ενώ παράλληλα ο συνολικός ρυθμός σύνθεσης ΑΤΡ παραμένει αμετάβλητος, με αποτέλεσμα να οδηγεί σε μία εξοικονόμηση ενέργειας της τάξης των μορίων ATP ανά δευτερόλεπτο (Lane, N., 2014). Τα οφέλη αυτά είναι τεράστια και θα μπορούσαν να υποστηρίξουν ενεργειακά την σύνθεση και τη συναρμολόγηση 4,5 μm ακτίνης ανά δευτερόλεπτο (Lane, N., 2014). Ωστόσο, τα μιτοχόνδρια δεν έχασαν το 5% των γονιδίων τους, αλλά πολλά παραπάνω. Έτσι, υποθέτοντας ότι το γονιδίωμα του βακτηριακού ενδοσυμβιώτη θα είχε αντίστοιχο αριθμό γονιδίων με ένα σύγχρονο πρωτεοβακτήριο, συμπεραίνουμε ότι τα μιτοχόνδρια έχασαν πάνω από το 99% των γονιδίων τους, που οδηγεί σε ενεργειακό όφελος 12 εκατομμυρίων μορίων ATP ανά δευτερόλεπτο (Lane, N., 2015). Η ενέργεια που «απελευθερωνόταν» από την απώλεια γονιδίων χρησιμοποιήθηκε από το κύτταρο ξενιστή για την ανάπτυξή του και την τροφοδότηση των ενδοσυμβιωτών του με θρεπτικά συστατικά (Lane, N., 2014). Η αναπνευστική ισορροπία έχει μεγάλη σημασία για την αρμοστικότητα ενός κυττάρου κι επομένως στην περίπτωση αυτή «κατηύθυνε» την επιλογή. Τα μιτοχόνδρια έχουν την ίδια ικανότητα να παράγουν ATP με ένα ελεύθερο βακτήριο, όπως αυτό από το οποίο προήλθαν. Τα ενεργειακά οφέλη των μιτοχονδρίων είναι αποτέλεσμα της απώλειας των περιττών γονιδίων, η οποία επιλέχθηκε από τη φυσική επιλογή επειδή οδήγησε σε σημαντική αύξηση του τάχους ανάπτυξης των βακτηριακών ενδοσυμβιωτών. Η σημασία των μιτοχονδριακών γονιδίων Υπάρχει μία αναντιστοιχία μεταξύ του αριθμού των γονιδίων που συναντώνται στα μιτοχονδριακά γονιδιώματα και του αριθμού των βακτηριακών πρωτεϊνών που περιέχονται στα μιτοχόνδρια, και η αναντιστοιχία αυτή οφείλεται στην ενδοσυμβιωτική μεταφορά γονιδίων (Martin, W., et al., 1998). Ένα μέρος των γονιδίων που χάθηκαν από τα μιτοχονδριακά γονιδιώματα κατά την πορεία εξέλιξης των μιτοχονδρίων μεταφέρθηκαν στον πυρήνα, αλλά τα γονιδιακά τους προϊόντα συνέχισαν την λειτουργία τους με επανεισαγωγή τους στο μιτοχόνδριο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την διατήρηση των απαραίτητων πρωτεϊνών που εξασφαλίζουν την σωστή λειτουργία του μιτοχονδρίου με ταυτόχρονη απώλεια της πλειοψηφίας των γονιδίων, που οδηγεί στο ενεργειακό πλεονέκτημα που αναφέρθηκε παραπάνω. Τελικά, σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο το 99% των πρωτεϊνών που περιέχονται στο μιτοχόνδριο κωδικοποιούνται από πυρηνικά γονίδια, παράγονται στο κυτταρόπλασμα και έπειτα από κατάλληλες μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις εισέρχονται στα μιτοχόνδρια (Schmidt, O., et al., 2010; Westermann, B., 2010). Εφόσον όμως η απώλεια γονιδίων οδηγεί σε βιοενεργητικό όφελος γιατί τα μιτοχόνδρια δεν έχασαν όλα τα γονίδιά τους; Τα μιτοχόνδρια που έχουν την ικανότητα σύνθεσης ATP έχουν πάντα ένα μικρό γονιδίωμα, το οποίο φέρει τα γονίδια που κωδικοποιούν για τις υπομονάδες των συμπλόκων της

17 αναπνευστικής αλυσίδας (Lane, N., 2010; Allen, J. F., 2015). Έχει αποδειχθεί ότι τα μιτοχόνδρια που χάνουν ολόκληρο το γονιδίωμά τους, χάνουν και την ικανότητά τους για οξειδωτική φωσφορυλίωση και υποβαθμίζονται σε μιτοσώματα και υδρογονοσώματα (Allen, J. F., 2015), όπως η περίπτωση των Archezoa, η οποία συζητήθηκε παραπάνω στην εργασία. Ο λόγος για τον οποίο τα μιτοχόνδρια πάντα διατηρούν τα συγκεκριμένα γονίδια είναι για να έχουν την ικανότητα να αντιδρούν γρήγορα στις αλλαγές του μεμβρανικού δυναμικού. Η αποτυχία διατήρησης του μεμβρανικού δυναμικού έχει πολύ σοβαρές επιπτώσεις για το κύτταρο, καθώς η ισχύς που δημιουργείται κατά την οξειδωτική φωσφορυλίωση φθάνει τα 30 εκατομμύρια volts ανά μέτρο (Lane, N., 2010; Lane, N., 2014). Στις επιπτώσεις αυτές περιλαμβάνονται η κατάρρευση της διαθεσιμότητας ATP μορίων, η παρεμπόδιση της ενεργούς διαμεμβρανικής μεταφοράς και η αύξηση της διαρροής ελευθέρων ριζών, η οποία στα ευκαρυωτικά κύτταρα και σε πολλούς προκαρυώτες οδηγεί άμεσα στον προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο (Lane, N., 2010; Lane, N., 2014; Allen, J. F., 2015). Με άλλα λόγια, ο συνεντοπισμός των γονιδίων της αναπνευστικής αλυσίδας με τις βιοενεργητικές μεμβράνες επιτρέπει την ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης ως απόκριση στις αλλαγές της οξειδοαναγωγικής κατάστασης των γονιδιακών προϊόντων (Allen, J. F., 2015). Η αποτυχία διατήρησης του μεμβρανικού δυναμικού έχει πολύ σοβαρές συνέπειες στην αρμοστικότητα ενός κυττάρου και οδηγεί σε ισχυρά αρνητική επιλογή. Εικόνα 5: Ο συνεντοπισμός των γονιδίων που κωδικοποιούν για τα σύμπλοκα της αναπνευστικής αλυσίδας είναι απαραίτητη για τη διατήρηση του μεμβρανικού δυναμικού. Τα γονίδια B και C που δεν κωδικοποιούν για υπομονάδες των συμπλόκων της αναπνευστικής αλυσίδας έχουν μεταφερθεί στον πυρήνα και τα γονιδιακά τους προιόντα παράγονται στο κυτταρόπλασμα και μεταφέρονται στο μιτοχόνδριο (Allen, J. F., 2015).

18 Η ανάγκη για φυσική σύνδεση των γονιδίων της αναπνευστικής αλυσίδας με τις βιοενεργητικές μεμβράνες δημιουργεί περιορισμούς στους προκαρυώτες. Η ανάγκη αυτή οδηγεί σε συνεντοπισμό επιπρόσθετων γονιδιωμάτων με τις μεμβράνες, προκειμένου να εξασφαλίζεται η ρύθμιση του μεμβρανικού δυναμικού (Lane, N., et al., 2010). Επειδή τα γονιδιώματα δεν είναι αυτόνομα αντιγραφόμενες δομές και δεν υπόκεινται άμεσα στην δράση της φυσικής επιλογής, δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί απώλεια γονιδίων στους προκαρυωτικούς οργανισμούς. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι προκαρυώτες που έχουν αυξημένη επιφάνεια βιοενεργητικών μεμβρανών, είτε με τη μορφή σπειροειδών εγκολπωμένων μεμβρανών (όπως συναντάται σε ορισμένα κυανοβακτήρια) είτε με αυξημένη επιφάνεια της πλασματικής τους μεμβράνης (όπως συναντάται στα τεράστια βακτήρια), να έχουν πολλαπλά αντίγραφα ολόκληρων των γονιδιωμάτων τους τοποθετημένα κοντά στις μεμβράνες τους (Lane, N., 2014). Τελικά, το γεγονός αυτό δεν οδηγεί σε κάποιο βιοενεργητικό πλεονέκτημα αφού η ενέργεια ανά γονίδιο παραμένει σταθερή. Ενδοσυμβίωση και γονιδιωματική ασυμμετρία Η ολική ποσότητα DNA ενός κυττάρου δεν αλλάζει σημαντικά μεταξύ των ευκαρυωτών και των πολυπλοειδικών προκαρυωτών αυτό που αλλάζει είναι η κατανομή του μέσα στο κύτταρο στην πάροδο του εξελικτικού χρόνου (Lane, N., et al., 2010). Η ενδοσυμβίωση είναι απαραίτητο γεγονός για την αναδιαμόρφωση των γονιδιωμάτων, καθώς οδηγεί σε μείωση του μεγέθους των γονιδιωμάτων των ενδοσυμβιωτών λόγω μαζικής απώλειας γονιδίων, και αύξηση του μεγέθους του πυρηνικού γονιδιώματος λόγω μεταφοράς πολλών από αυτά τα γονίδια στον πυρήνα (Lane, N., 2010; Lane, N., 2014). Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται γονιδιωματική εξειδίκευση, η οποία είναι προαπαιτούμενο για την δημιουργία πολυπλοκότητας, καθώς οδηγεί σε αύξηση της ενέργειας ανά γονίδιο κατά 5-6 τάξεις μεγέθους. Αντίθετα, στα βακτήρια που παρουσιάζουν ακραίες μορφές πολυπλοειδίας, όλα τα γονιδιώματα είναι ίδια και δεν υπάρχει γονιδιωματική εξειδίκευση επειδή δεν μπορεί να υπάρξει επιλογή της απώλειας γονιδίων (Lane, N., et al., 2010). Η γονιδιωματική εξειδίκευση οδήγησε σε λειτουργική εξειδίκευση μετατρέποντας τους βακτηριακούς ενδοσυμβιώτες σε μιτοχόνδρια, και προκάλεσε μία ακραία γονιδιωματική ασυμμετρία στο κύτταρο. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα παρουσιάζουν μία ακραία γονιδιωματική ασυμμετρία, στην οποία εκατοντάδες ή χιλιάδες μικροσκοπικά μιτοχονδριακά γονιδιώματα υποστηρίζουν ενεργειακά ένα τεράστιο πυρηνικό γονιδίωμα, 3-4 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από τα μεγαλύτερα γνωστά προκαρυωτικά γονιδιώματα (Lane, N., 2014). Αντίθετα, οι πολυπλοειδικοί προκαρυώτες έχουν γονιδιωματική συμμετρία, η οποία δεν προσφέρει κάποιο ενεργειακό όφελος καθώς διατηρεί την πλειοψηφία του γονιδιώματος η οποία είναι ενεργειακά επιβαρύνουσα, προκειμένου να έχουν την ικανότητα ελέγχου της αναπνευστικής αλυσίδας. Στη θεωρία, ο έλεγχος αυτός θα μπορούσε να γίνει με μεταφορά των γονιδίων της αναπνευστικής αλυσίδας σε πλασμίδια, ωστόσο ένα τέτοιο γεγονός δεν έχει παρατηρηθεί

19 ποτέ και το πιθανότερο σενάριο είναι ότι δε θα μπορούσε να υποστηριχθεί ενεργειακά (Lane, N., et al., 2010). Κανένας προκαρυώτης δεν εμφάνισε ευκαρυωτική πολυπλοκότητα καθώς η μεταβολική ενέργεια του κυττάρου δεν είναι αρκετή για την υποστήριξή της. Η ενδοσυμβίωση οδήγησε σε αναδιανομή της ποσότητας του DNA του κυττάρου σε σχέση με τις βιοενεργητικές μεμβράνες (Lane, N., et al., 2010), αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο την ενέργεια ανά γονίδιο κατά 5 τάξεις μεγέθους ένα απαραίτητο γεγονός για να γίνει επιτρεπτή βιοενεργητικά η εμφάνιση των πολύπλοκων ευκαρυωτικών κυττάρων. Λόγω της ικανότητάς του να παράγει ενέργεια σε μία ευρεία περιοχή μεμβρανών υπό τον έλεγχο εκατοντάδων μιτοχονδριακών γονιδιωμάτων, το ευκαρυωτικό κύτταρο είχε την ευκαιρία να ξεπεράσει τους ενεργειακούς περιορισμούς των προκαρυωτών και να οδηγήσει στην εμφάνιση πολύπλοκων χαρακτηριστικών που είναι άγνωστα στους προκαρυώτες. Εικόνα 6: Η ενδοσυμβίωση οδήγησε σε αναδιανομή του DNA του κυττάρου σε σχέση με τις βιοενεργητικές του μεμβράνες. Στην εικόνα αυτή απεικονίζεται η διαφορά μεταξύ ενός πολυπλοειδικού προκαρυώτη και ενός ευκαρυωτικού κυττάρου. Στα αριστερά, είναι ένα κύτταρο του ακραίου πολυπλοειδικού προκαρυώτη Epulopiscium βαμμένο με την χρωστική DAPI (Angert, E. R., 2006). Στα δεξιά, είναι ένα ευκαρυωτικό κύτταρο και τα μιτοχόνδρια είναι βαμμένα κόκκινα, ο πυρήνας μπλε και το μιτοχονδριακό DNA πράσινο (Kukat, C., et al., 2011).

20 Συζήτηση Ο μηχανισμός παραγωγής ενέργειας είναι κοινός σε όλους τους οργανισμούς, όσο καθολικός είναι ο γενετικός κώδικας και καθόρισε την ιστορία της ζωής στη γη (Lane, N., 2015). Η ζωή στη γη αναπαρίσταται καλύτερα ως δαχτυλίδι, παρά ως δέντρο (Rivera, M. C., et al., 2004; Williams, T. A., et al., 2013; McInerney, J. O., et al., 2014). Ο ευκαρυωτικός χώρος ζωής προέκυψε από ένα μοναδικό μη φαγοκυττικό γεγονός ενδοσυμβίωσης ενός α- πρωτεοβακτηρίου (Martin, W. F., 2017) μέσα σε ένα αρχαίο που άνηκε στο φύλο Lokiarcheota (Spang, A., et al., 2015; Sousa, F. L., et al., 2016). Με αυτή την έννοια, τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν χιμαιρική φύση όπως αποδεικνύεται από τα χιμαιρικά ευκαρυωτικά γονιδιώματα (Thiergart, T., et al., 2012), τα οποία περιέχουν γονίδια βακτηριακής και αρχαιοβακτηριακής προέλευσης (Williams, T. A., et al., 2013; McInerney, J. O., et al., 2014). Τα γονίδια αρχαιοβακτηριακής προέλευσης τείνουν να είναι σημαντικότερα από εκείνα που έχουν βακτηριακή προέλευση (Cotton, J. A., et al., 2010), υποδεικνύοντας ότι ο μεταβολισμός του ευκαρυωτικού κυττάρου έχει σχηματιστεί πάνω στα θεμέλια του αρχαιοβακτηριακού κυττάρου-ξενιστή, με τα βακτηριακά γονίδια να αποκτούν κυρίως περιφερειακούς ρόλους. Το κοινό στοιχείο όλων των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι ότι όλα διαθέτουν ή διέθεταν μιτοχόνδρια σε κάποιο στάδιο της εξέλιξής τους (Lane, N., et al., 2010; Lane, N., 2015; Martin, W. F., 2017), οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η εμφάνιση του μιτοχονδρίου και του ευκαρυωτικού κυττάρου μπορούν να θεωρηθούν ως το ίδιο γεγονός (Lane, N., et al., 2010). Η εμφάνιση του μιτοχονδρίου ήταν το κρίσιμο και απαραίτητο βήμα στην εμφάνιση και την εξέλιξη της πολυπλοκότητας των ευκαρυωτικών κυττάρων, καθώς οδήγησε σε ένα τεράστιο βιοενεργητικό πλεονέκτημα σε σχέση με τα προκαρυωτικά κύτταρα (Lane, N., et al., 2010; Lane, N., 2015; Martin, W. F., 2017). Σύμφωνα με τους κατάλληλους υπολογισμούς, τα ευκαρυωτικά κύτταρα μπορούν να έχουν έως και φορές περισσότερη διαθέσιμη ενέργεια ανά γονίδιο σε σύγκριση με τους προκαρυωτικούς οργανισμούς (Lane, N., et al., 2010). Το γεγονός αυτό επιτυγχάνεται λόγω ανακατανομής της συνολικής ποσότητας του DNA του κυττάρου σε σχέση με τις βιοενεργητικές του μεμβράνες, που είναι αποτέλεσμα της ενδοσυμβίωσης. Η ανακατανομή αυτή αντιπροσωπεύεται από τα μιτοχόνδρια. Η επιλογή της απώλειας γονιδίων των βακτηριακών ενδοσυμβιωτών στο σταθερό περιβάλλον του κυτταροπλάσματος (Lane, N., 2015) ως αποτέλεσμα του ενδοσυμβιωτικού γεγονότος οδήγησε στην εμφάνιση και τη γονιδιωματική εξειδίκευση των μιτοχονδρίων, τα οποία διατήρησαν τα μιτοχονδριακά γονίδια για τα σύμπλοκα της αναπνευστικής αλυσίδας (Allen, J. F., 2015). Η εξειδίκευση αυτή προκάλεσε την «απελευθέρωση» τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας (Lane, N., 2014), η οποία χρησιμοποιήθηκε από το κύτταρο ξενιστή για την ανάπτυξη της εντυπωσιακής πολυπλοκότητάς του ευκαρυωτικού κυττάρου σε μία προσαρμοστική διαδικασία επιλογής. Αντίθετα, οι πολυπλοειδικοί προκαρυωτικοί οργανισμοί (που έχουν αυξημένη ικανότητα παραγωγής ενέργειας σε σύγκριση με τους υπόλοιπους