Heimdall SNAREs reveal an ancestral architecture of eukaryotic SNARE complexes

Das Leben, wie wir es kennen, basiert auf einer grundlegenden Teilung zwischen zwei Arten von Zellen. Ein Typ, der in Bakterien und Archaeen vorkommt, ist einfach und besitzt keine internen Kompartimente. Der andere, der in Pflanzen, Tieren und Pilzen vorkommt, ist komplex und voller ausgeprägter Räume wie dem Zellkern und den energieproduzierenden Mitochondrien. Jahrzehntelang haben sich Wissenschaftler gefragt, wie diese komplexe Zelle mit ihrem komplizierten internen Transportsystem aus einem einfacheren Vorfahren hervorgegangen ist. Ein entscheidender Hinweis liegt in der Maschinerie, die Materialien zwischen diesen internen Räumen bewegt. In komplexen Zellen transportieren winzige Bläschen, sogenannte Vesikel, Fracht von einem Ort zum anderen, indem sie mit Zielmembranen verschmelzen, um ihre Ladung abzuliefern. Diese Fusion wird durch einen spezifischen Satz von Proteinen angetrieben, die wie molekulare Reißverschlüsse wirken und zwei Membranen zusammenziehen, bis sie verschmelzen. Diese Proteine, bekannt als SNAREs, sind essenziell für das Leben in komplexen Organismen, doch ihr evolutionärer Ursprung blieb ein Rätsel. Tauchte diese hochentwickelte Maschinerie plötzlich mit der ersten komplexen Zelle auf, oder entwickelte sie sich aus einem einfacheren System, das in unseren uralten Vorfahren existierte?

Um dies zu beantworten, wandten Forscher ihre Aufmerksamkeit einer Gruppe mikroskopisch kleiner Organismen zu, den Asgard-Archaeen. Diese erst relativ kürzlich durch genetische Analysen von Meeressedimenten entdeckten einzelligen Organismen sind die nächsten bekannten Verwandten der Vorfahren des komplexen Lebens. Einige Arten innerhalb dieser Gruppe, speziell jene, die Heimdallarchaeota genannt werden, wurden als Träger von Genen identifiziert, die den Genen komplexer Zellen für den internen Transport verblüffend ähnlich sehen. Zu diesen Genen gehören Anweisungen für die Herstellung von Proteinen, die den SNARE-Reißverschlüssen ähneln. Das Vorhandensein eines genetischen Bauplans ist jedoch nicht dasselbe wie der Beweis dafür, dass die Maschine auch funktioniert. Die entscheidende Frage war, ob diese uralten Proteine tatsächlich zu den stabilen, viersträngigen Bündeln zusammenfinden könnten, die zur Verschmelzung von Membranen erforderlich sind, oder ob sie lediglich zerbrochene Überreste eines Systems waren, das nie so funktionierte, wie wir es heute sehen.

Ein Team von Wissenschaftlern setzte sich zum Ziel, dies zu testen, indem sie diese Heimdall-SNARE-Proteine im Labor isolierten und untersuchten. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches Protein, das sie HPS1 nannten und das in einem Heimdallarchaeota-Organismus gefunden wurde. Zuerst reinigten sie das Protein und untersuchten seine physikalischen Eigenschaften. Sie entdeckten, dass das Protein unglaublich stabil war und Hitze sowie chemischem Stress standhielt, die die meisten anderen Proteine zerstört hätten. Als sie seine Form in Lösung analysierten, schwamm das Protein nicht als einzelner Strang umher, sondern gruppierte sich spontan mit drei identischen Kopien seiner selbst zu einem festen, viersträngigen Bündel. Dies war ein bedeutender Befund, da das funktionale Bündel in komplexen Zellen aus vier verschiedenen Arten von Proteinen besteht, die zusammenarbeiten. Die Tatsache, dass die antike Version unter Verwendung von vier identischen Kopien ein stabiles Bündel bilden konnte, deutete auf eine einfachere, ursprüngliche Version der Maschinerie hin.

Um genau zu sehen, wie dieses Bündel aufgebaut wurde, züchteten die Forscher Kristalle des Proteins und nutzten Röntgenstrahlen, um dessen atomare Struktur abzubilden. Das resultierende Bild enthüllte ein langes, verdrehtes Seil, das aus vier identischen Helices besteht, die umeinander gewickelt sind. Im Zentrum dieses Bündels befand sich eine spezifische Schicht, in der vier identische chemische Gruppen, bestehend aus der Aminosäure Glutamin, aufeinandertrafen. In komplexen Zellen wird diese zentrale Schicht normalerweise durch eine Mischung verschiedener chemischer Gruppen gebildet, was eine asymmetrische Struktur erzeugt, die für den Fusionsprozess entscheidend ist. Die Forscher fanden heraus, dass das antike Bündel perfekt symmetrisch war, wobei alle vier Seiten exakt gleich aussahen. Trotz dieser Symmetrie war der Kern des Bündels ebenso dicht und sicher gepackt wie die komplexen Versionen, die in menschlichen Zellen vorkommen. Dies deutete darauf hin, dass die grundlegende Architektur des SNARE-Bündels schon lange vor der Evolution komplexer Zellen existierte und aus einem homogenen System mit vier identischen Teilen hervorging.

Die Forscher nutzten anschließend Computersimulationen, um zu untersuchen, wie sich dieses antike Bündel im Vergleich zur modernen Version verhalten könnte. Sie testeten, ob ein einfaches Austauschen einer der vier identischen Glutamingruppen durch eine andere chemische Gruppe, wie es in komplexen Zellen der Fall ist, unmittelbar die heutige asymmetrische Struktur erzeugen würde. Die Simulationen zeigten, dass dieser einfache Austausch nicht funktionierte; das Bündel ordnete sich nicht spontan zu der komplexen, asymmetrischen Form um. Stattdessen blieb das antike symmetrische Design stabil. Dies deutet darauf hin, dass der Übergang vom einfachen, identischen Vier-Teile-System zum komplexen, spezialisierten Vier-Teile-System kein schneller oder zufälliger Prozess war. Er erforderte wahrscheinlich einen längeren evolutionären Prozess, bei dem sich die Proteine über die Zeit allmählich veränderten und spezialisierten.

Weitere Experimente zeigten, dass die Forscher, als sie die Vollversion dieses antiken Proteins in menschliche Zellen einführten, es erfolgreich zum internen Membransystem der Zelle, speziell zum endoplasmatischen Retikulum, transportieren konnten. Dies demonstrierte, dass das antike Protein mit der zellulären Maschinerie des komplexen Lebens kompatibel war, in der Lage war, sich in Membranen einzubauen und seinen korrekten Standort zu finden. Die Studie untersuchte auch die genetische Geschichte dieser Proteine und stellte fest, dass sie in verschiedenen Heimdallarchaeota-Arten vorhanden, aber in anderen verwandten Gruppen abwesend sind. Diese Verteilung stützt die Vorstellung, dass der Vorfahre des komplexen Lebens bereits vor der Abspaltung von seinen Archaeen-Cousins über diese spezifische Art von SNARE-Protein verfügte.

Die Ergebnisse zeichnen ein klares Bild davon, wie zelluläre Komplexität entstehen konnte. Die essenzielle Maschinerie für den Materialtransport innerhalb einer Zelle tauchte nicht aus dem Nichts auf, als die erste komplexe Zelle entstand. Stattdessen entwickelte sie sich aus einem bereits existierenden System in einem uralten archaischen Vorfahren. Dieser Vorfahre besaß ein einfaches, symmetrisches Proteinbündel, das in der Lage war, stabile Strukturen zu bilden. Über Millionen von Jahren wurde dieses grundlegende Werkzeug dupliziert und modifiziert, was schließlich zur Entstehung des vielfältigen und spezialisierten Satzes von Proteinen führte, die die komplexen internen Transportsysteme moderner Pflanzen und Tiere antreiben. Die Studie bestätigt, dass die tiefen Wurzeln unserer zellulären Komplexität in der uralten, symmetrischen Welt der Archaeen liegen, in der die ersten Schritte zur komplizierten Maschinerie des Lebens unternommen wurden, lange bevor die erste komplexe Zelle überhaupt existierte.