A mitokondrium eredete  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
112788
típus PD
Vezető kutató Zachar István
magyar cím A mitokondrium eredete
Angol cím Origin of mitochondria
magyar kulcsszavak evolúció organellum mitokondrium
angol kulcsszavak evolution organelle mitochondrion
megadott besorolás
Filogenetika, szisztematika, taxonómia, összehasonlító biológia, ökofiziológia (Komplex Környezettudományi Kollégium)100 %
zsűri Ökológia és evolúció
Kutatóhely MTA-ELTE Elméleti Biológiai és Evolúciós Ökológiai Kutatócsoport (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
projekt kezdete 2014-09-01
projekt vége 2017-11-30
aktuális összeg (MFt) 16.458
FTE (kutatóév egyenérték) 2.40
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A legnehezebbnek tartott nagy evolúciós átmenet az eukarióták kialakulása a prokariótákból volt, amely számos önmagában is meglehetősen bonyolult evolúciós újítás kialakulását követelte meg. Az egyik legfontosabb ilyen evolúciós találmány a mitokondrium, a sejt energia-ellátásáért felelős endoszimbionta organellum. Habár a közelmúltban felismerték, hogy a mai mitokondrium típusok mind monofiletikusak és ősibb állapotot képeznek az eukariótákon belül mint a mitokondrium hiánya, azonban nem ismert, hogy pontosan mikor, hogyan és mely csoportok egyesülésével zajlott le az endoszimbiotikus lépés. Mivel jelenleg nem tudunk olyan eukarióta vonalról, mely bizonyítottan elsődlegesen nélkülözi a mitokondriumot, ezért az ősi gazda-, és endoszimbionta sejtek eredeti tulajdonságaira és funkciójára csak elméleti úton következtethetünk. Ismertek viszont megdöbbentően eltérő mitokondrium-típusok az eukarióták egymástól távoli ágain (anaerob mitokondriumok, hidrogenoszómák, mitoszómák), ami még nehezebbé teszi annak megfejtését, hogy mi lehetett az első endoszimbionta által nyújtott szelekciós előny. A kutatási projektem arra keresi a választ, hogy milyen evolúciós út vezetett a korai előnytelen helyzettől (pl. parazitizmus) az endoszimbiózisig, s mik lehettek az endoszimbiotikus kapcsolat kezdeti előnyei és hátrányai?

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Mi lehetett az a szelektív előny, amely megmagyarázhatja a mitokondriumok eredetét és kezdeti sikerét annak fényében, hogy az endoszimbionta fenntartása költséges volt? Maynard Smith és Szathmáry farm-hipotézise szerint a kezdeti kapcsolat inkább parazitikus volt, ahol a gazdának kellett oly módon adaptálódnia, hogy a körülményektől függő intracelluláris predációval ("prudent harvesting") előnyt kovácsoljon a parazitáiból. Célom, hogy egy ökológiai-evolúciós modellben teszteljem a farm-hipotézist, s keressek választ az eredeti kérdésre. A modell hiánypótló: csak a két időskála együttes figyelembevételével lehetséges megmagyarázni gazda és parazita stabil együttélését az evolúciós átmenetek során. A modellt kiterjesztve lehetséges más szelekciós forgatókönyveket is tesztelni és összehasonlítani.
Bármely plauzibilis elméletnek a mitokondriumok (s végső soron az eukarióták) eredetéről meg kell felelnie az energetikai kényszereknek is. Az eukarióta sejt komplexitásnövekedése nagyobb energiaigénnyel is járt (pl. nagyobb fehérjekészlet expressziója), melyet — a legkézenfekvőbb megoldás szerint — a mitokondrium fedezett. Még nem született komoly modellező tanulmány, mely valóban igazolta volna ezt az ok-okozati kapcsolatot, ezért egy második modellben ezt tervezem megvizsgálni. Az endoszimbionta és gazda energetikai viszonyát leíró (egyszerűsített) metabolikus reakcióhálózat analízise választ adhat arra, hogy valóban a mitokondriumok megszerzése volt-e a kulcslépés az eukarióták kialakulásában, vagy az endoszimbiózis kialakulásához egy már evolvált, komplex eukariótára volt-e szükséges.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

Az elméleti evolúcióbiológia egyik legnehezebb de egyben legfontosabb feladata, hogy az eukariótákhoz vezető nagy evolúciós átmenet feltételeit és lépéseit megértsük. Mivel eddig még nem született olyan modell-alapú megközelítés a mitokondrium eredetére, amely sikerrel magyarázta volna meg kezdeti szelekciós előnyét, evolúciós sikerét és ma megfigyelhető diverzitását, ezért különösen fontos, hogy a kialakulás hipotéziseit modellekkel teszteljük. A kutatási tervem elsődleges célja, hogy felderítsem az endoszimbiózishoz vezető evolúciós adaptációkat a farm-hipotézis tesztelésével. A kutatáshoz fejlesztett ökológiai-evolúciós modell újszerű megközelítése mellett (csatolt időskálák) hiánypótló is. A gazda és parazita/szimbionta kompetícióját ökológiai időskálán vizsgálva fontos információt nyerhetünk a korai együttélés előnyeiről és költségeiről. A modell lehetőséget ad arra is, hogy a különböző szelekciós forgatókönyveket komparatív módon kiértékeljem.
A szimbionta kapcsolat energetikáját reakcióhálózati modellekkel szintén nem vizsgálta még senki, ezért itt is olyan eredményekre számítok, amelyek úttörőek lesznek a korai endoszimbiogenezis időbeli sorrendjének eldöntésében: vajon tényleg csak a mitokondrium jelenlétében kezdődhetett meg a genom komplexitásának növekedése. A modell eredményei segíthetnek kizárni bizonyos hipotéziseket a mitokondrium eredetével és a gazdasejt eredeti komplexitásával kapcsolatban is (archezoa vagy szimbiogenezis elméletek).
Ennek megfelelően a projekt eredményei hasznosak lesznek nem csak a mitokondrium, de az eukarióták eredetét illetően is. Az eukarióták kialakulásának olyan magyarázata, mely nem csak evolúciós de ökológiai és energetikai alapon is támogatott, elengedhetetlen ahhoz, hogy sikerrel lehessen felvázolni az eukarióta adaptációk (citoszkeleton, sejtciklus, fagocitózis, és végül szex) időbeli egymásra következését A kutatásban használt modellek segítenek feltárni az endoszimbiózishoz vezető evolúciós utat. Az így szerzett ismereteket más organellumok (pl. kloroplasztisz) kialakulására is alkalmazni lehet majd, esetleg magasabb rendű szimbionta organizmusokra is kiterjeszthető eredményekkel.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A mitokondrium a sejtek energia-ellátásáért felelős sejtszervecske. A mitokondriumok őse eredetileg egy szabadon élő baktérium volt, amelyet a felső Prekambriumban fokozatos evolúciós lépések során bekebelezett egy másik sejt, míg végül kölcsönösen függővé váltak egymástól: a felvett baktérium a gazdasejt endoszimbiontájaként élt tovább. Az így kialakult komplex sejttípus volt az őse az eukariótáknak: a csoportba tartozik minden valaha élt gomba-, növény- s állatfaj is. Habár több elmélet is született a mitokondriumok eredetére amelyek már létező kezdeti kölcsönös viszonyból indulnak ki, valószínűbbnek tűnik, hogy a bekebelezett baktérium először nem segítette a gazdát, hanem parazitaként élt annak sejtplazmájában s fogyasztotta a forrásait, semmit sem nyújtva cserébe a gazdának. Hogy megmagyarázzuk miként alakulhatott ki a kezdeti parazitizmusból egy későbbi kooperatív kapcsolat, először a gazda és parazitája stabil együttélését kell megmagyaráznunk a nyilvánvaló költségek figyelembevételével. Ehhez ökológiai modellre van szükség, s csak ha a stabil együttélés okai már ismertek, lehet megvizsgálni a kapcsolat enyhülését az evolúciós időskálán. A kutatás során ennek a nagy evolúciós átmenetnek az okait és következményeit kívánom felderíteni, hogy megértsük, mi vezetett a mitokondrium, az eukarióta sejt számára nélkülözhetetlen sejtszervecske, kialakulásához.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The step from the prokaryotic to the eukaryotic world is thought to be the hardest of the major evolutionary transitions, composed of multiple eukaryotic inventions, one being the exploitation of energy-producing prokaryotic species as endosymbionts. While the mitochondriate state is recently recognized to be ancestral to the eukaryotic stage, the exact position of the endosymbiotic event at the root of eukaryotes is unknown. Since no extant eukaryotic lineages are known that are primarily amitochondrial, speculations about the host and its endosymbiont has to remain on the theoretical level. Strikingly different mitochondrial variants exist in distantly related eukaryotic lines (anaerobic mitochondria, hydrogenosomes, mitosomes) which makes it hard to pinpoint the primary function of their ancestor. If present mitochondrial variants are so different, what could have been the early advantage they provided to their hosts? If (according to the farming hypothesis) the first association was parasitic, what was the evolutionary route that lead to endosymbiosis? My research proposal focuses on this evolutionary step, exploring early costs and benefits associated with the endosymbiotic event.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

What was the early selective advantage that allowed the costly maintenance of the mitochondrial progenitor inside the host? I plan to answer this question by explicitly testing the farming hypothesis of Maynard Smith & Szathmáry according to which the ancestral endosymbiont started out as a parasite and was subsequently exploited by the host that had the ability of prudent harvesting (farming). Only a joint ecological-evolutionary model could explain both the stable coexistence of parasite and host at the earliest time and the subsequent evolutionary transition to the endosymbiotic stage over a larger timescale. Extending the investigation and the model to other theories of the origin of mitochondria would provide an opportunity for critical evaluation of the different selective scenarios, possibly identifying the necessary steps of the evolutionary process.
While eukaryotes evolved many useful inventions (nucleus, cytoskeleton, cell cycle, sex, etc.), a plausible theory of eukaryogenesis has to also account for the increased energy requirements of the host cell. It was suggested that mitochondria could have provided the necessary energy surplus for increased complexity (expressing a larger proteome), though no serious modeling was performed so far. Investigating this energetic relationship of host and symbiont in a reaction-based, simplified metabolic model is important to successfully embed the origin of mitochondria into the context of eukaryogenesis: was the acquisition of mitochondria the critical step towards eukaryotes, or sufficient complexity had to be gained before endosymbiosis even became a possibility?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Since hitherto no successful theoretical, model-based explanation of the origin of mitochondria was put forward that could account for both of their appearance, evolutionary success and present diversity, it is very important to make the first step toward model-based, testable hypotheses. The main focus of this research programme is to explore the necessary steps of adaptation of host and parasite species according to the farming hypothesis. Neither the farming nor any other scenario was ever evaluated comparatively in a model-based context, thus the ecological-evolutionary model planned in this project provides a completely novel approach, that is long awaited. By investigating the dynamics of competition at the ecological timescale, important data on early costs and benefits of the endosymbiotic coexistence are expected.
Results of the biochemical model of the energetics of genome- (and cell-) complexity should polarize the endosymbiogenesis providing invaluable answer on whether mitochondria were prerequisite to kick-start further complexity or an already highly complex eukaryotic ancestor had to acquire the endosymbiont. Result could be decisive, ruling out some of the existing theories of origin (archezoan or symbiogenesis scenario).
Results are expected to provide insight on the larger context of the origin of eukaryotes. A first step of eukaryogenesis that is supported by ecological, evolutionary and biochemical results is inevitable to help establishing the plausible order of eukaryotic adaptations like cytoskeleton and phagocytosis, cell cycle, and ultimately sex. Models should provide a general understanding of the evolutionary constraints of endosymbiosis, with potential insights that can be transferred to other organelles (chloroplasts) or even to other domains, like symbiosis of organisms of higher biological complexity. Understanding eukaryotic origins, and the hardest of all major evolutionary transitions is one of the most important tasks of theoretical evolutionary biology.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Mitochondria are the power-producing organelles of modern cells, responsible for respiration. Originally, they were free-living bacteria, but during the Late Precambrian, they were gradually encapsulated by other cells, ending up in a mutual partnership where the two are entirely dependent on each other: endosymbiosis. The resulting, more complex host cell-type served as the root of Eukaryota, a group of organisms containing all plant, fungal and animal life forms ever lived on Earth. Though many theories suggest that the enclosing of the bacteria was driven by already existing mutual cooperation between the two partners, it is more reasonable to assume that the bacteria were parasites instead, feeding on their host's resources without providing anything in exchange. This, in turn, requires an ecological explanation: how the two partners could have survived together this early stage of evolution, so that later a true cooperation could have been established by evolutionary adaptations? It is of high importance to investigate the origin of mitochondria from both an ecological and an evolutionary perspective so that in turn, the origin of eukaryotes can be better explained. In this project I plan to explore the causes and consequences of this early interaction of bacteria and hosts to provide a better explanation of the origins of the mitochondrion, an essential and necessary organelle of all present-day eukaryotes.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A mitokondrium eredete mind a mai napig erősen kutatott és vitatott kérdés. A sejtszervecske megléte ősi bélyeg az eukariótákban, és endoszimbiotikus integrálódásuk rendkívüli fontosságú volt a prokariótáktól az eukariótákhoz vezető nagy evolúciós lépés során. Az eukarióta találmányok (citoszkeleton, fagocitózis, endomembránok, stb.) kialakulási sorrendje nem ismert, így az sem világos, hogy a mitokondriumok megjelenése az ok vagy az okozat volt e nagy lépésben. A kutatásom során publikáltam egy áttekintő tanulmányt, amelyben a mitokondrium-eredet-hipotézisek kritikai értékelését végeztem el. Rámutattam a gazda-szimbionta partnerviszony korai ökológiájának fontosságára és a jelenlegi elméletek hiányosságaira. Ökológiai-evolúciós modellben teszteltem a mitokondrium-eredet egyik magyarázó elméletét, a farmoló hipotézist. A farmoló hipotézis szerint a mitokondriális őst egy fagocitotikus gazda kebelezte be. A partnerkapcsolat kezdeti előnye nem a szimbionta által nyújtott közvetlen metabolikus egítség volt. A gazda a bekebelezett baktériumokat úgy tartotta, ahogy az ember sertést: jó időben felszaporította, rossz időben elfogyasztotta őket. Analitikus és egyed-alapú modellek segítségével igazoltam, hogy a farmolás stabil endoszimbiózisra vezet, anélkül, hogy a partnerek között extra metabolikus kölcsönhatást (pl. fotoszintetikus termékek, ATP, metabolitok, stb. kicserélése) feltételeznénk. A legújabb eredményekből készült cikk jelenleg elbírálás alatt van a PNAS folyóiratnál.
kutatási eredmények (angolul)
The origin of mitochondria is a challenging and intensely debated issue. Mitochondria are ancestrally present in eukaryotes and their endosymbiotic inclusion was an extremely important step during the transition from prokaryotes to eukaryotes. However, because of the unknown order of eukaryotic inventions (cytoskeleton, phagocytosis, endomembranes, etc.) it is unknown whether they led to or followed the acquisition of mitochondria. I have published a review paper to critically evaluate origin of mitochondria hypotheses and point out the importance of early ecology of the host-symbiont partnership, with the unanswered questions in case of all current hypothesis. I have tested the farming hypothesis of mitochondrial origin in an ecological-evolutionary model. According to the farming hypothesis, the mitochondrial ancestor was captured by a phagocytic host, but the advantage was not direct metabolic help provided by the symbiont, rather, it was provisioning captured prey to farmers in poor times, like humans farm pigs. I have developed analytical and computational models to show that farming could lead to stable endosymbiosis without any further benefit assumed between partners. The latest results are under review at PNAS.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112788
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Zachar István, Szathmáry Eörs: Breath-giving cooperation: critical review of origin of mitochondria hypotheses, Biology Direct 12(19), 2017




vissza »