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# 生物学# 進化生物学

ESCRTシステムの謎を解明する

ESCRTの細胞分裂とタンパク質ソーティングにおける役割を生命形式全般で探る。

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ESCRTシステム:機能とESCRTシステム:機能と進化ける役割を調べてる。ESCRTの細胞プロセスや進化の歴史にお
目次

細胞膜はすべての生命形態にとって欠かせないものだよ。すべての細胞は膜に囲まれていて、細胞に出入りするものを管理してる。これらの膜は、たんぱく質の合成や遺伝情報のプロセスが複雑になるずっと前から存在してたんだ。最初の生命形態は、プロトセルと呼ばれる膜で囲まれた構造の中で進化したと考えられてる。

生命が進化するにつれて、遺伝情報を新しい細胞に正しく分配する方法が必要になった。これには、細胞分裂を管理するための特別なたんぱく質やシステムの発達が求められたんだ。分裂リングのような基本的な構造は多くの細胞タイプで似てるけど、細胞分裂に関与する具体的なたんぱく質は生物によって大きく異なることがあるんだ。

細胞分裂機構の複雑さ

細胞分裂の中心にはFtsZというたんぱく質があって、これは多くのバクテリアで分裂リングを形成するのを助けてる。ただ、すべての生物がFtsZを持ってるわけじゃないんだ。一部のバクテリアや古代細菌は、同じ機能を果たすために別のたんぱく質を使ってる。他のたんぱく質もFtsZと一緒に働くことが多いけど、種によって異なる。これが、時間をかけて進化してきた細胞分裂の方法の多様性を生んでるんだ。

生きている細胞は分裂のためにさまざまなたんぱく質を使うだけじゃなくて、自分の中に小さなポケットや小胞を作ることもある。これらの小胞は、自分たちの膜を修正するためのシステムが必要で、分裂機構とは別のことが多い。複雑な細胞、つまり真核細胞では、このシステムは非常に複雑で、ミトコンドリアや小胞体など、いくつかの細胞小器官を含んでるんだ。

真核細胞のESCRTシステム

真核細胞における重要な分子機械の一つがESCRTと言って、これは「輸送に必要な内因性仕分け複合体」の略だよ。このシステムは膜を切るのを助けて、特に細胞分裂の一部分である細胞質分裂で重要な役割を果たしてる。ESCRTシステムは、一緒に働くいくつかの異なるたんぱく質複合体で構成されてる。

ESCRTシステムの主な部分は以下の通り:

  1. ESCRT-I:この複合体はお互いに作用する4つの主要な成分を持ってる。
  2. ESCRT-II:これも4つの成分からなってて、たんぱく質の仕分けに欠かせないんだ。
  3. ESCRT-III:いくつかの成分が集まって膜の切断に必要な構造を形成する。
  4. ESCRT-IV:この成分はよくわかってないけど、全体のプロセスを助けると考えられてる。

これらの複合体の中のたんぱく質はいろんな形や特徴を持っていて、特定の役割に関与できるんだ。たとえば、Vps27というたんぱく質は他のたんぱく質をつなげる中心的な部分だし、Vps4という別のたんぱく質は膜分裂の最終段階に必要なんだ。

様々な生命形態におけるESCRTシステム

長い間、科学者たちはESCRTシステムが真核細胞に特有だと思ってた。けど、研究によって一部の古代細菌がESCRTシステムの成分を持ってることがわかったんだ。これらの成分は、彼らの細胞分裂プロセスに欠かせないんだ。実際、一部の古代細菌ではESCRT-III複合体に似たたんぱく質が発見された。

似たようなところはあるけど、異なる種のESCRTたんぱく質の分布は不均一なんだ。一部の古代細菌の系統には現れてるけど、他には存在しない。これは、これらのたんぱく質が進化の深い根を持ってるかもしれない、つまりすべての細胞の共通の祖先にさかのぼるかもしれないってことを示唆してるんだ。

細胞分裂とたんぱく質の仕分けにおけるESCRTの役割

現代の細胞では、ESCRTシステムはいろんな機能を果たしてる。細胞を分裂させるだけでなく、細胞内のたんぱく質の輸送のために仕分けする役割も果たしてる。たとえば、真核細胞では、ESCRT機構がたんぱく質や他の物質を細胞の異なる部分に輸送する小胞を作るのに関与してるんだ。

TACKグループのような一部の古代細菌では、ESCRTシステムがたんぱく質の仕分けではなく、細胞分裂を助けるように適応してる。このことは、機構の役割が生物のニーズによって変わる可能性があることを示唆してる。

古代細菌におけるESCRTの多様性を調査する

最近の研究で、古代細菌は驚くべきバラエティのESCRTシステムを持っていることが示されてる。これらのシステムは、古代の構成要素と特定の古代細菌系統に特有の特殊な成分の両方を含むことがある。この多様性は、異なる古代細菌のグループが細胞分裂や小胞形成などのさまざまな機能のために自分たちのESCRTシステムを適応させてきたことを示してる。

Asgardとして知られる古代細菌の一群は、特に複雑なESCRTシステムを持ってるみたい。これは、真核細胞に見られる構成要素に似たものが多く含まれていて、進化的なつながりを示唆してる。この複雑さは、Asgard古代細菌が細胞分裂だけでなく、さまざまな細胞タスクを行うことを可能にしてるかもしれない。

ESCRTシステムの進化

ESCRTシステムの進化は複雑で、いくつかの経路が関わってる。研究によると、ESCRTシステムの核心となる成分は初期の古代細菌の祖先に起源を持つ可能性が高いんだ。時間が経つにつれて、異なる系統が分岐して、それぞれのニーズに合ったESCRTシステムを適応させてきた。あるグループは効率を高めるためにシステムを簡素化したり、別のグループはより多様な機能を果たすためにシステムを拡張したりしてる。

真核生物では、さらに特化が行われて、他のたんぱく質輸送システムと相互作用する独特のESCRT-0構成要素が生まれた。これらの適応は、ESCRTシステムが時間とともにどのように進化してきたかを示していて、さまざまな生物が直面した異なる課題や環境を反映してる。

結論と未来の方向性

ESCRTシステムについての理解はどんどん深まってきてて、細胞分裂、たんぱく質の仕分け、膜のダイナミクスの間の複雑なつながりを明らかにしてる。さまざまな生物におけるこれらのシステムの多様性についてのデータを集めることで、これらの重要な細胞機構の進化の歴史を明らかにできるかもしれない。

さまざまな生命形態、特に未探査の古代細菌系統で見つかるESCRT成分についての研究を続けることで、これらのシステムの起源に光を当てられるかもしれない。このことは、細胞生物学や地球上の複雑な生命の進化についての理解を深める助けになるかもしれない。現代科学の限界を押し広げる中で、生命の複雑さの本当の物語は、これらの魅力的な細胞機械の研究を通じてさらに明らかになるかもしれない。

オリジナルソース

タイトル: Diversity, Origin and Evolution of the ESCRT Systems

概要: Endosomal Sorting Complexes Required for Transport (ESCRT) play key roles in protein sorting between membrane-bounded compartments of eukaryotic cells. Homologs of many ESCRT components are identifiable in various groups of archaea, especially in Asgardarchaeota, the archaeal phylum that is currently considered to include the closest relatives of eukaryotes, but not in bacteria. We performed a comprehensive search for ESCRT protein homologs in archaea and reconstructed ESCRT evolution using the phylogenetic tree of Vps4 ATPase (ESCRT IV) as a scaffold, using sensitive protein sequence analysis and comparison of structural models to identify previously unknown ESCRT proteins. Several distinct groups of ESCRT systems in archaea outside of Asgard were identified, including proteins structurally similar to ESCRT-I and ESCRT-II, and several other domains involved in protein sorting in eukaryotes, suggesting an early origin of these components. Additionally, distant homologs of CdvA proteins were identified in Thermoproteales which are likely components of the uncharacterized cell division system in these archaea. We propose an evolutionary scenario for the origin of eukaryotic and Asgard ESCRT complexes from ancestral building blocks, namely, the Vps4 ATPase, ESCRT-III components, wH (winged helix-turn-helix fold) and possibly also coiled-coil, and Vps28-like domains. The Last Archaeal Common Ancestor likely encompassed a complex ESCRT system that was involved in protein sorting. Subsequent evolution involved either simplification, as in the TACK superphylum, where ESCRT was co-opted for cell division, or complexification as in Asgardarchaeota. In Asgardarchaeota, the connection between ESCRT and the ubiquitin system that was previously considered a eukaryotic signature was already established. ImportanceAll eukaryotic cells possess complex intracellular membrane organization. ESCRT (Endosomal Sorting Complexes Required for Transport) plays a central role in membrane remodeling which is essential for cellular functionality in eukaryotes. Recently, it has been shown that Asgard archaea, the archaeal phylum that includes the closest known relatives of eukaryotes, encode homologs of many components of the ESCRT systems. We employed protein sequence and structure comparisons to reconstruct the evolution of ESCRT systems in archaea and identified several previously unknown homologs of ESCRT subunits, some of which can be predicted to participate in cell division. The results of this reconstruction indicate that the Last Archaeal Common ancestor already encoded a complex ESCRT system that was involved in protein sorting. In Asgard archaea, ESCRT systems evolved towards greater complexity, and in particular, the connection between ESCRT and the ubiquitin system that was previously considered a eukaryotic signature was established.

著者: Eugene V. Koonin, K. S. Makarova, V. Tobiasson, Y. I. Wolf, Z. Lu, Y. Liu, S. Zhang, M. Krupovic, M. Li

最終更新: 2024-02-07 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.02.06.579148

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.02.06.579148.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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