Nat Microbiol | 吴法柏等揭示古菌到真核的进化途径

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真核细胞的起源是进化史上的一个关键环节，但我们对于该环节的发生过程仍然知之甚少。在多种真核细胞起源的理论中，胞内共生说是现今最有说服力的一个假说，即一个远古细菌进入一个远古古菌的细胞内之后，两者产生了胞内共生关系并逐步演化成了现有的真核细胞（图1）。近期的文献中推算这一过程大致发生于十几亿到二十亿年前。该假说的最有力证据在于，一方面真核生物的核酸复制、转录、翻译等最基本功能所需的基因均明显由古菌进化而来，而另一方面线粒体内的这些功能性基因则明显来源于细菌。要了解真核细胞的由来，找到它们当前原核生物圈中仍然存在的近亲则无疑是一个重要的任务。近年宏基因组技术在环境微生物领域的大规模应用为该研究问题的解答提供了前所未有的进展。其中，海底沉积物中发现的Asgard 古菌就被认为是与真核生物最相近的一组古菌。在这一类古菌在2015年被第一次报道至今，只有一株古菌被富集培养，而Asgard古菌中被多数系统发生学认定为与真核生物最相近的Heimdall古菌则扔只在数据库中以宏基因组片段组合（MAGs）的方式存在。这些MAGs一般由几百个碎片组成，并常包含了源于其他生物的污染序列，对于研究真核细胞起源这样一个远古进化的机理不免会造成干扰。

 

图1. 胞内共生说：真核生物起源理论中最有依据的假说。【供图：吴法柏】

 

2022年1月14日，美国加州理工大学Victoria Orphan团队的吴法柏博士等在Nature Microbiology上发表文章“Unique mobile elements and scalable gene flow at the prokaryote–eukaryote boundary revealed by circularized Asgard archaea genomes”，从与真核生物最相近的古菌中发现了独特的可移动因子并对从原核细胞到真核细胞进化过程中的基因组扩增过程提出了新的理论模型（图2）。

研究人员第一次通过微生物富集培养和纳米孔测序技术完整地重构了两株称为Heimdall古菌的基因组，并同时也以基本完整重构了一些其他Asgard古菌的基因组。这些微生物起初均附着于石头和沉积物，由Orphan团队在2017年和2018年两次在墨西哥附近加州湾3.7公里深的深海热液口取得。这些基因组不仅在多方面确定了Heimdall古菌与真核生物的近亲关系，而且展现了之前非完整基因组中难以捕捉到的重复序列。这其中就包含了10多种转录酶和多样的CRISPR/Cas元件。CRISPR序列记录了这些古菌中过往被病毒、转座子、质粒等可移动因子侵入的历史，所以可反过来用以寻找这些可移动因子。通过这样的方式，研究人员就在这些基因组中发掘出了一些前所未见的可移动因子，其中包含了一批编码两个约5000氨基酸的巨大蛋白的转座子，作者借希腊神话中的孪生巨人Aloadae将其命名为Aloposon 。

 

可移动因子在同一物种或不同物种间的不同基因组位点间跳跃，是进化史中基因传播的捷径。作者发现Heimdall古菌中许多可移动因子都夹带着源于细菌或噬菌体的基因，甚至负责将其融入基因组的整合酶(integrase)都是从Bacteriodetes的噬菌体的整合酶进化而来。这说明可移动因子很有可能在进化史中就将信息在Heimdall古菌和细菌间传递。这对于真核生物的基因来源有着重要的启示，因为近期的分析也发现真核生物基因组中存在着大量源于细菌的基因。作者发现这些Asgard古菌中源于古菌和源于细菌的基因数比例与真核生物非常相近，均随着基因组的增大而变小，于是作者提出假说认为真核生物基因组扩张的渠道与这些古菌基本一致。

图2. 该文提出的HDH模型表述了从海姆达尔古菌祖先到真核生物演化过程中基因导入的多种途径。【供图：吴法柏】

 

Asgard古菌与真核生物的近亲关系不仅有系统发生学方面的证据，也由另一重要证据支撑，那就是存在于前者中的许多以前认为是真核生物独有的ESP（Eukaryotic Signature Proteins）基因。由于现有的两百多个Asgard古菌基因组良莠不齐，至今这一类基因在Asgard古菌中的分布仍然存在争议。作者们发现的确许多ESP是在高质量的基因组中均存在的，而另一些则分散到了不同的分支中。

 

通过以上研究，作者对于真核细胞的早期进化过程提出了一个新模型（图2）。拥有较小基因组的Heimdall古菌祖先与细菌产生了胞内共生关系，并在后期不断吸纳其他Asgard古菌近亲的基因。该模型的一个关键点在于这些基因有较大部分并非由这些古菌本身创造出来，而也是从其它的古菌和细菌中导入的。作者将该模型称为Heimdall nucleation-Decentralized Innovation-Hierarchical Import (HDH)模型。

 

加州理工大学的博士后吴法柏为该文章的第一作者和通讯作者， Victoria Orphan教授为共同通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41564-021-01039-y

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