真核生物:其古细菌祖先的故事

科学生物学真核生物:其古细菌祖先的故事

1977 年,当 rRNA 序列特征表明古细菌(当时称为“古细菌”)“与细菌的关系远近,就像细菌与真核生物的关系一样远”时,将生命形式分为原核生物和真核生物的传统分类在 21 年得到修订。分为真细菌(包括所有典型的细菌)、古细菌和真核生物。 真核生物的起源问题仍然存在。 在适当的时候,证据开始建立支持真核生物的古菌祖先。 特别令人感兴趣的是,Asgard 古细菌的基因组中有数百个真核生物特征蛋白 (ESP) 基因。 ESP 在真核生物的细胞骨架和复杂细胞结构特征的发育中起着至关重要的作用。 在 2022 年 XNUMX 月 XNUMX 日发表的一项突破性研究中,研究人员报告成功培养了难以捉摸的 Asgard 古细菌的富集培养物,他们使用低温电子断层扫描对其进行了成像。 他们观察到 Asgard 细胞确实具有复杂的基于肌动蛋白的细胞骨架。 这是真核生物古细菌祖先的第一个直接视觉证据,是理解真核生物起源的重要一步。  

直到 1977 年,地球上的生命形式被分为真核生物(复杂的形式,其特征是将细胞的遗传物质包含在明确定义的细胞核中并存在细胞骨架)和原核生物(更简单的生命形式,细胞质中的遗传物质没有指定的细胞核,包括细菌和古细菌)。 人们认为细胞真核生物大约在 2 亿年前进化而来,可能是从原核生物进化而来的。 但是,真核生物究竟是如何起源的呢? 复杂的细胞生命形式如何与更简单的细胞生命形式联系起来? 这是生物学中一个很大的悬而未决的问题。  

1977 年,古生菌(当时称为“古细菌”)被发现是“”就像细菌与真核生物一样,它与细菌的关系也很远。早期将生命形式区分为原核生物和真核生物是基于细胞器水平的表型差异。 相反,系统发育关系应该基于广泛分布的分子。 核糖体 RNA (rRNA) 就是这样一种生物分子,它存在于所有自我复制系统中,并且其序列随时间变化很小。 基于 rRNA 序列表征的分析需要将活生物体分为真细菌(包括所有典型细菌)、古细菌和真核生物1.  

随后,古细菌和真核生物之间更密切关系的证据开始出现。 1983年发现古细菌和真核生物的依赖DNA的RNA聚合酶属于同一类型; 两者都显示出惊人相似的免疫化学特性,并且都源自共同的祖先结构2. 1989 年发表的另一项研究基于蛋白质对的推断复合系统发育树,揭示了古生菌与真核生物的关系比与真细菌的关系更密切3. 到这个时候,真核生物的古细菌起源已经确定,但确切的古细菌种类仍有待鉴定和研究。  

基因组计划成功后基因组研究的发展为该领域提供了急需的推动力。 2015-2020 年间,多项研究发现 Asgard 古菌携带真核生物特异性基因。 他们的基因组富含被认为是真核生物特有的蛋白质。 这些研究清楚地确定了 Asgard 古细菌由于其基因组中存在数百个真核生物特征蛋白 (ESP) 基因而与真核生物具有最接近的遗传接近性。  

下一步是对 Asgard 古细菌的内部地窖结构进行物理可视化,以确认 ESP 的作用,因为人们普遍认为 ESP 在复杂细胞结构的形成中起着关键作用。 为此,需要高度丰富的古菌培养物,但仙宫以难以捉摸和神秘着称。 导致难以大量培养以在实验室中研究它们。 根据最近于 21 年 2022 月 XNUMX 日报告的一项研究,这一困难现已被克服。  

经过六年的努力,研究人员改进了技术,并在实验室成功培育出一种高度丰富的“Candidatus Lokiarchaeum ossiferum',仙宫门的成员。 这是一项了不起的成就,还因为这使研究人员能够可视化和研究 Asgard 的内部细胞结构。    

采用低温电子断层扫描对富集培养物进行成像。 Asgard 细胞具有球形细胞体和分支突起网络。 细胞表面结构复杂。 细胞骨架延伸至整个细胞体。 扭曲的双链丝包含 Lokiactin(即由 Lokiarchaeota 编码的肌动蛋白同系物)。 因此,Asgard 细胞具有复杂的基于肌动蛋白的细胞骨架,研究人员提出,这种细胞骨架早于第一个真核生物的进化。  

作为真核生物古细菌祖先的第一个具体物理/视觉证据,这是生物学上的一个显着进步。

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参考文献:  

  1. Woese CR 和 Fox GE,1977。原核域的系统发育结构:主要王国。 1977 年 74 月出版。美国国家科学院院刊。 11 (5088) 5090-XNUMX。 DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  
  1. 休特,J., 1983. 古细菌和真核生物拥有一种常见类型的 DNA 依赖性 RNA 聚合酶。 EMBO J. 2, 1291–1294 (1983)。 DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  
  1. 岩部, N., 1989. 从重复基因的系统发育树推断出古细菌、真细菌和真核生物的进化关系。 过程。 国家科学院。 科学。 美国 86, 9355–9359。 DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  
  1. 罗德里格斯-奥利维拉,T., . 2022. Asgard archaeon 中的肌动蛋白细胞骨架和复杂的细胞结构。 发布时间:21 年 2022 月 2022 日。自然 (XNUMX)。 DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

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