Maus und Mensch haben auch ungefähr gleich viele Basenpaare, ca. 3 Milliarden, doch bei anderen Lebewesen ist so ein Vergleich komplizierter. Viele Insekten haben nur einige 100 Millionen Basenpaare, und das Bakterium E. coli hat gerade mal 4,5 Millionen. Archaeen wiederum haben nur etwa 1-3 Millionen Basenpaare. Um diese Lebewesen miteinander vergleichen zu können, müssen wir bei der Untersuchung der Genome die Gene nehmen, die in beiden zu vergleichenden Gruppen vorhanden sind.

Etwa die Hälfte der Gene von Archaea ist für sie einzigartig. Das heißt, dass z.T. nur eine halbe Million Basenpaare mit denen eines Menschen vergleichbar sind; und die können immer noch so verschieden sein, dass ein Vergleich völlig sinnlos wäre. Es gibt sie aber, die vergleichbaren Gene; aber es sind wenige und die Ähnlichkeit mit denen von Vertebraten schwanken verständlicherweise noch mehr als die zwischen Maus und Mensch. Gene für ganz bestimmte Enzyme finden sich z.B. in Archaeen, Bakterien, Küchenschaben und Menschen. Einige hundert Gene von Eukaryoten scheinen ihren Ursprung in den Archaeen zu haben. Und dann haben wir z.B. auch an die 40 Gene, die, soweit wir bisher wissen, nur bei Menschen und Bakterien auftauchen.

Der Grund dafür kann aber nicht nur die gemeinsame Abstammung sein, sondern ein (horizontaler) Gentransfer von den Bakterien zu uns. Horizontaler Gentransfer ist ein Problem in der Systematik, da die Gene, die wir zur Bestimmung der Verwandtschaft benutzen, sich in gewisser Weise erst später in das Genom eingeschlichen haben. Dieses Problem besteht in erster Linie bei den Prokaryoten und macht es den Forschern, die daran arbeiten, alles andere als leicht, eine Art Stammbaum aufzustellen. Prof. William Martin von der Universität Düsseldorf hat das Problem sehr schön illustriert:

martin1999.jpg
Vorschlag für einen Stammbaum des Lebens. Verschiedene Gruppen von Prokaryoten sind hier farblich unterschiedlich dargestellt. Die Abbildung soll das Problem des horizontalen Gentransfers in den Eubakterien beschreiben (verdeutlicht in der Vergrößerung unten links). (Quelle: verändert nach BioEssays 1999, 21:99-104 – Datei als PDF)

LUCA selbst könnte demnach sehr primitiv und frei von Organellen gewesen sein. Die Gene für die Speicher-Körnchen wären dann erst viel später durch Transfer in den drei Domänen verteilt worden.

Die Forscher der University of Illinois, die nun ihren Fund publizieren, widersprechen dieser Hypothese jedoch. Sie haben nämlich ein Enzym (eine Phosphatase) verfolgt, das in Bakterien, Archaeen und Eukaryoten vorkommt und eine wichtige Rolle bei Acidocalcisomen spielt, eben diesen in Archaea neu entdeckten Körnchen. Dort fördern diese Phosphatasen den Ionentransport in das Organell hinein. Ein Stammbaum aus beinahe 280 Organismen, basierend alleine auf diesem Enzym, ist fast identisch mit einem Stammbaum des Lebens, der auf hunderten von verschiedenen Genen basiert. Das würde bedeuten, dass die untersuchten Phosphate – und somit auch die Acidocalcisomen – sehr, sehr alt sind.

Etwa so alt wie LUCA.

Die Anwesenheit dieses Organells in Archaea und Bakterien und Eukaryoten lässt sich auf vielen Wege erklären, doch laut den Autoren ist die Erklärung, dass es in LUCA vorkam und nachträglich verloren ging, die statistisch wahrscheinlichste. Stammbäume werden auf dem Prinzip der Parsimonie aufgebaut, und danach ist die einfachste Form für einen Stammbaum auch die realistischste. Ihr Stammbaum zeigt, dass die Enzyme aus Acidocalcisomen zu Beginn da waren.

James Whitfield, einer der Autoren dieses Papers (und nebenbei bemerkt ein großartiger Banjo-Spieler) sagt dazu folgendes:

Man kann nicht annehmen, dass die Geschichte des Lebens nur aus Aufbauen und Ansammeln bestand. Der Grund dafür, dass Bakterien so simpel sind, könnte der sein, dass sie in einem extremen Lebensraum vorkommen und sich sehr schnell fortpflanzen müssen. Sie sind deshalb vielleicht tatsächlich reduzierte Versionen davon, was vor ihnen da war.

ResearchBlogging.orgSeufferheld, M., Kim, K., Whitfield, J., Valerio, A., & Caetano-Anolles, G. (2011). Evolution of vacuolar proton pyrophosphatase domains and volutin granules: clues into the early evolutionary origin of the acidocalcisome Biology Direct, 6 (1) DOI: 10.1186/1745-6150-6-50

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Kommentare (12)

  1. #1 KommentarAbo
    Oktober 8, 2011

  2. #2 Sascha Vongehr
    Oktober 8, 2011

    Interesting. Do Acidocalcisome in LUCA hint at a certain prebiological to biological transition (e.g. importance of phosphorus) or make certain “origins of life” scenarios less likely?

  3. #3 MartinB
    Oktober 8, 2011

    Echt spannend, danke.

  4. #4 Nils
    Oktober 8, 2011

    @Sascha:
    (Nice, an english comment. :-)
    I think this is going into biochemistry, so I’m probably not the right person to answer this … however, as far as I understand, one of the compounds stored by acidocalcisomes is polyP, which is thought to have been present on earth even before LUCA. But there is still the possibility that the acidocalcisome pumps transferred extraterrestrial phosphorous as well, so as far as origin of life scenarios, I don’t think the paper will have much impact on this discussion.
    But then again, I’m no biochemist … 😉

  5. #5 BreitSide
    Oktober 8, 2011

    Wau, sehr interessant! Erzähl das mal dem Goethe mit seiner Urpflanze…

    Aus meiner Froschperspektive sehe ich da Parallelen zu unserer Sprache: die “Ursprachen”, wie ich es verstanden habe, zB bei den San/”Pygmäen”, haben viel mehr Laute als unsere “modernen” Sprachen. Die Klicklaute sind praktisch ganz verschwunden. Oder auch das “gb”, bei dem “g” und “b” gleichzeitig gesprochen werden.

    Das alte Gesetz: “Alles wird immer komplexer” scheint wohl auch eher für den Gesamtzustand zu gelten als für die einzelnen Teilsysteme. Ist da die Entropiezunahme eine Parallelität? Auch hier nimmt ja die Gesamtentropie zu, während in kleine Systemen (Lebewesen, Kühlschränke) die lokale Entropie abnimmt.

    Könnte man so eine Parallele ziehen?

  6. #6 Aveneer
    Oktober 8, 2011

    Die Frage wäre doch: Erfüllt die Phosphatase in allen Organismen, dieselbe/ die eine Funktion?

    Man hat also ein Gen gefunden, das in allen Domänen des Lebens gefunden wurde. O.K. das spricht dafür, dass das Gen in LUCA schon vorhanden war. Und das erklärt auch, warum der genetische Vergleich, den vorhandenen Stammbaum widerspiegelt.

    Eines der ersten Gene ist also eine Phosphatase. Das aller erste Gen? ;-))

    Nur kann dasselbe Gen in verschiednen Organismen verschiedene Funktionen erfüllen?

    In manchen dienen sie zum Aufbau der Acidocalcisomen. Aber ob es in LUCA dieselbe Funktion hatte? Genauso wahrscheinlich (wahrscheinlicher) hatte es eine andere Funktion und durch Koevolution übernahm es in manchen Organismen, den Transport in die Acidocalcisomen.

    Beipiel: Thrombozyten – hier die Funktion: Aufbau Acidocalcisomen

    In anderen Zellen? Keine Funktion? Unwahrscheinlich!

    Die Frage wäre kommt dieses Gen nur in Zellen vor die Acidocalcisomen besitzen? Beim Menschen schon mal nicht.

    Gruß
    Aveneer

    PS: Traditionell werden Eukaryoten von Prokaryoten durch das Fehlen eines Zellkerns (Karyon) bei Pro-Karyonten („Vor“ dem Zellken)- unterschieden ;-).

    Keine Organellen?

    Ich darf dich zitieren?

    Acidocalcisomen : „Sie finden sich in fast allen größeren Gruppen von Lebewesen, in Bakterien,….“ 😉

  7. #7 Nils
    Oktober 8, 2011

    @Aveneer:
    Du hast Recht, Eu- und Prokaryoten unterscheiden sich dadurch dass eine einen Zellkern haben, die anderen nicht. Aber bisher hat man als Eigenschaft auch angenommen, dass Prokaryoten keine Organellen mit Doppelmembran besaßen. Die gleiche Gruppe, die jetzt aber diese Studie veröffentlicht hat, hat schon in Bakterien gezeigt, dass sie Acidocalcisomen besitzen, also Organellen mit doppelter Membran (J Biol Chem 2003, 278:29971-29978; J Biol Chem 2004, 279:1193 – 51202). Auf Wikipedia findet man zwar immer noch die Aussage, dass “Prokaryoten … im Gegensatz zu Eukaryoten keine membranbegrenzten Organellen” besitzen, aber das scheint als Kriterium nicht mehr zu stimmen.

    Zur Funktion der Phosphatase: Die Funktion wird schon gleich gewesen sein, ob die Phosphatase jedoch auch in den Ur-Acidocalcisomen eine Rolle gespielt hat, steht noch aus. Darüber hinaus kann es natürlich sein, dass die Organellen sich unabhängig voneinander später entwickelt haben, die Phosphatasen aber von vornherein da waren.

    Wäre schön wenn der Publicity Boost, den die Thematik durch diese Publikation bekommt, andere Gruppen dazu bringt, sich dem Thema mehr anzunehmen …

  8. #8 Aveneer
    Oktober 8, 2011

    Bleibt man bei der Endosymbiontentheorie, könnte man sich vorstellen, dass diese Phosphatase die Aufgabe hatte Phospahat in die Zelle zubringen. Später wurde diese Zelle als Symbiont aufgenommen. Was jedoch bedeuteten würde, es gab LUCA-1 und LUCA-2. Oder der eine LUCA hat den anderen verschluckt hat 😉

    Die Bedeutung von Phosphat für die Entwicklung ist unbestritten, schließlich benötigt man auch die RNA-Synthese große Mengen davon. Dass eines der ersten Gene ein Protein codiert, welches den Phosphat -Transpot durch die Membran reguliert, ist daher nicht abwegig.

    Gruß
    Aveneer

  9. #9 rka001
    Oktober 8, 2011

    Gemmata obscuriglobus, eine Planctomycete, hat einen Doppelmembran um einen DNA/Ribosomen-enthaltenden Nucleoid. Alle anderen Planctomyceten haben eine Einfachmembran. Anammox-Planctomyceten besitzen zusätzlich eine weitere membran-begrenzte Organelle, das Anammoxosom.
    Planctomyceten sind ziemlich abundant – so selten ist Zellkompartimentation auch in Bakterien nicht.
    Man muss sich eben fragen, ob das das Ergebnis einer parallelen oder seriellen Evolution ist.
    Dazu ein excellenter Review von Fuerst/Sagulenko:
    http://www.nature.com/nrmicro/journal/v9/n6/full/nrmicro2578.html

  10. #10 EuroTanic
    Oktober 9, 2011

    Diese pseudowissenschaftlichen Aussagen sind immer wieder erheiternd. Im gleichen Masse könnte man Duplo- und Legosteine als eine frühere Verwandte oder auch als Vorform von Einfamilienhäusern oder gar von Hochhäusern betrachten weil diese bestimmte Ähnlichkeiten von Eigenschaften aufweisen.

  11. #11 Dr. Webbaer
    Oktober 21, 2011

    @EuroTanic
    Es handelt sich bei LUCA wohl um eine theoretische Entität, die der allgemeinen Theoretisierung hilfreich ist oder zumindest scheint. Theoretische Entitäten sind nicht unüblich, vielleicht hätte das im Artikel klarer herausgestellt werden können.
    Und klar, was war zuerst: Der kleine Holzblock oder das Haus?

    Duplo gibt’s noch nicht so lange.

    MFG
    Dr. Webbaer

  12. #12 Nils
    Oktober 21, 2011

    @Webbaer:
    Genau.