Heimdall SNAREs reveal an ancestral architecture of eukaryotic SNARE complexes

Het leven zoals wij dat kennen is gebouwd op een fundamentele tweedeling tussen twee soorten cellen. Het ene type, te vinden in bacteriën en archaea, is eenvoudig en mist interne compartimenten. Het andere type, te vinden in planten, dieren en schimmels, is complex en gevuld met afzonderlijke kamers zoals de celkern en de energieproducerende mitochondriën. Decennialang hebben wetenschappers zich afgevraagd hoe deze complexe cel, met zijn ingewikkelde interne transportsysteem, voor het eerst ontstond uit een simpelere voorouder. Een belangrijke aanwijzing ligt in de machinerie die materialen tussen deze interne kamers verplaatst. In complexe cellen dragen piepkleine blaasjes, genaamd vesikels, lading van de ene naar de andere plaats, waarbij ze samensmelten met doelmembranen om hun inhoud af te leveren. Deze fusie wordt aangedreven door een specifieke set eiwitten die fungeren als moleculaire ritsen, die twee membranen naar elkaar toe trekken totdat ze versmelten. Deze eiwitten, bekend als SNARE's, zijn essentieel voor het leven in complexe organismen, maar hun evolutionaire oorsprong is een mysterie gebleven. Verscheen deze geavanceerde machinerie plotseling met de eerste complexe cel, of evolueerde het uit een simpeler systeem dat bestond in onze oeroudere voorouders?

Om dit te beantwoorden, richtten onderzoekers hun aandacht op een groep microscopische organismen die Asgard-archaea worden genoemd. Deze relatief recent ontdekte organismen, via genetische analyse van oceaan sedimenten, zijn de dichtstbijzijnde bekende verwanten van de voorouders van het complexe leven. Sommige soorten binnen deze groep, specifnicie die Heimdallarchaeota worden genoemd, blijken genen te bezitten die verrassend veel lijken op de genen die door complexe cellen worden gebruikt voor intern transport. Onder deze genen behoren instructies voor het maken van eiwitten die lijken op de SNARE-ritsen. Het bezitten van het genetische blauwdruk is echter niet hetzelfde als het bewijzen dat de machine werkt. De cruciale vraag was of deze oude eiwitten daadwerkelijk konden assembleren tot de stabiele, vierstrengelige bundels die vereist zijn om membranen te fuseren, of dat het slechts gebroken resten waren van een systeem dat nooit functioneerde op de manier die we vandaag de dag zien.

Een team van wetenschappers zette zich in om dit te testen door deze Heimdall SNARE-eiwitten in het laboratorium te isoleren en te bestuderen. Ze richtten zich op een specifiek eiwit, dat ze HPS1 noemden, afkomstig uit een Heimdallarchaeota-organisme. Eerst zuiverden ze het eiwit en onderzochten ze de fysische eigenschappen ervan. Ze ontdekten dat het eiwit ongelooflijk stabiel was en weerstand bood tegen hitte en chemische stress die de meeste andere eiwitten zouden vernietigen. Wanneer ze de vorm in oplossing analyseerden, zweefde het eiwit niet rond als een enkele streng; in plaats daarvan groepeerde het spontaan met drie identieke kopieën van zichzelf tot een strakke, vierstrengelige bundel. Dit was een belangrijke bevinding, aangezien de functionele bundel in complexe cellen wordt gevormd door vier verschillende soorten eiwitten die samenwerken. Het feit dat de oude versie een stabiele bundel kon vormen met vier identieke kopieën, suggereerde een simpelere, voorouderlijke versie van de machinerie.

Om precies te zien hoe deze bundel werd opgebouwd, kweekten de onderzoekers kristallen van het eiwit en gebruikten ze röntgenstraling om de atomaire structuur in kaart te brengen. De resulterende afbeelding onthulde een lange, gedraaide roep gemaakt van vier identieke helices die om elkaar heen gewikkeld zijn. In het hart van deze bundel bevond zich een specifieke laag waar vier identieke chemische groepen, bestaande uit het aminozuur glutamine, elkaar ontmoetten. In complexe cellen wordt deze centrale laag gewoonlijk gevormd door een mix van verschillende chemische groepen, wat een asymmetrische structuur creëert die cruciaal is voor het fusieproces. De onderzoekers ontdekten dat de oude bundel perfect symmetrisch was, waarbij alle vier de zijden er exact hetzelfde uitzagen. Ondanks deze symmetrie was de kern van de bundel net zo compact en veilig verpakt als de complexe versies die in menselijke cellen worden gevonden. Dit gaf aan dat de fundamentele architectuur van de SNARE-bundel al bestond lang voordat complexe cellen evolueerden, voortkomend uit een homogene, uit vier identieke delen bestaande structuur.

De onderzoekers gebruikten vervolgens computersimulaties om te verkennen hoe deze oude bundel zich zou hebben gedragen vergeleken met de moderne versie. Ze testten of het simpelweg vervangen van één van de vier identieke glutaminegroepen door een andere chemische groep, zoals te zien is in complexe cellen, onmiddellijk een asymmetrische structuur zou creëren zoals die vandaag de dag wordt aangetroffen. De simulaties toonden aan dat deze eenvoudige vervanging niet werkte; de bundel reorganiseerde zich niet spontaan in de complexe, asymmetrische vorm. In plaats daarvan bleef het oude symmetrische ontwerp stabiel op zichzelf. Dit suggereert dat de overgang van het simpele, identieke vierdelige systeem naar het complexe, gespecialiseerde vierdelige systeem geen snelle of accidentele verandering was. Het vereiste waarschijnlijk een langer evolutionair proces waarbij de eiwitten geleidelijk veranderden en specialiseerden over de tijd.

Verdere experimenten toonden aan dat wanneer de onderzoekers de volledige versie van dit oude eiwit in menselijke cellen plaatsten, het succesvol reisde naar het interne membraansysteem van de cel, specif으로 het endoplasmatisch reticulum. Dit bewees dat het oude eiwit compatibel was met de cellulaire machinerie van het complexe leven, in staat was om zichzelf in membranen te nestelen en de juiste locatie te vinden. De studie keek ook naar de genetische geschiedenis van deze eiwitten en vond dat ze aanwezig zijn in diverse Heimdallarchaeota-soorten, maar afwezig zijn in andere verwante groepen. Deze distributie ondersteunt het idee dat de voorouder van het complexe leven waarschijnlijk dit specifieke type SNARE-eiwit bezat voordat hij splitste van zijn archaeale neven.

De bevindingen schetsen een helder beeld van hoe cellulaire complexiteit tot stand kan zijn gekomen. De essentiële machinerie voor het verplaatsen van materialen binnen een cel is niet uit het niets verschenen toen de eerste complexe cel ontstond. In plaats daarvan is het geëvolueerd uit een reeds bestaand systeem in een oude archaeale voorouder. Deze voorouder bezat een simpele, symmetrische eiwitbundel die in staat was stabiele structuren te vormen. Over miljoenen jaren werd deze basisset aan gereedschap gedupliceerd en aangepast, wat uiteindelijk leidde tot de diverse en gespecialiseerde set eiwitten die de complexe interne transportsystemen van moderne planten en dieren aandrijven. De studie bevestigt dat de diepe wortels van onze cellulaire complexiteit liggen in de oude, symmetrische wereld van de archaea, waar de eerste stappen naar de ingewikkelde machinerie van het leven werden gezet, lang voordat de eerste complexe cel ooit bestond.