关于第一个复杂细胞出现的新研究挑战正统学说

诸平

Fig. 1 Mitochondria are the energy powerhouses in eukaryotic cells. One popular hypothesis claims these organelles were a pre-requisite to the transition from simpler prokaryotes like bacteria and archaea to larger, more complex eukaryotic organisms. The new study challenges this assumption. Credit: Jason Drees

Fig. 2 Prokaryotic cells, which include bacteria and archaea, are structurally simple organisms, lacking the complex internal structure found in eukaryotes. All living plant and animal species today have their origins in the last eukaryotic common ancestor, or LECA. The transition from prokaryote to eukaryote has remained a central mystery biologists are still trying to untangle.

Fig. 3 Paul Schavemaker is a researcher in the Biodesign Center for Mechanisms in Evolution

据美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）2022年8月8日报道，关于第一个复杂细胞出现的新研究挑战正统学说（New research on the emergence of the first complex cells challenges orthodoxy）。图1(Fig. 1)：线粒体（Mitochondria）是真核细胞的能量发电站。一种流行的假设声称，这些细胞器是从简单的原核生物（如细菌和古细菌）转变为更大、更复杂的真核生物的先决条件。而亚利桑那州立大学的一项新研究挑战了这一假设。

一开始就是无聊的。随着地球上细胞生命的出现，大约35亿年前，缺乏细胞核和其他详细内部结构的简单细胞在地球上占主导地位。在这些所谓的原核细胞（prokaryotic cells）——细菌（bacteria）和古生菌（archaea）——的进化发展方面，再过10多亿年，情况将基本保持不变了。

 然后，发生了一件了不起的、前所未有的事情。出现了一种被称为真核生物的新型细胞。真核生物将进化出许多复杂的内部模块或细胞器(organelles)，包括内质网(endoplasmic reticulum简称ER)、高尔基氏体（Golgi apparatus）和线粒体（mitochondria），形成种类繁多的细胞类型——地球上所有后续植物和动物生命的前体。包括细菌和古生菌在内的原核细胞是结构简单的生物，缺乏真核生物中复杂的内部结构。今天所有活的植物和动物物种都起源于最后的真核共同祖先（Last Eukaryotic Common Ancestor简称LECA）。从原核生物到真核生物的转变一直是生物学家们试图解开的一个核心谜。这种关键的转变是如何形成的，仍然是生物学中的一个核心谜团。

在一项新的研究中， 进化机制生物设计中心（Biodesign Center for Mechanisms of Evolution）的研究人员保罗·沙夫梅克（Paul Schavemaker, Fig.3）和前亚利桑那州立大学、现为法国奥赛巴黎-萨克雷大学（Université Paris-Saclay, Orsay, France）的研究人员塞尔吉奥·穆诺兹-戈梅斯（Sergio Muñoz-Gómez）重新审视了真核生物出现之谜。他们的研究结果于2022年8月1日已经在《自然生态与进化》（Nature Ecology & Evolution）杂志网站发表——Paul E. Schavemaker, Sergio A. Muñoz-Gómez. The role of mitochondrial energetics in the origin and diversification of eukaryotes. Nature Ecology & Evolution, Published: 01 August 2022. DOI: 10.1038/s41559-022-01833-9. https://doi.org/10.1038/s41559-022-01833-9

此文挑战了一种流行的情景，用来解释第一批真核生物（eukaryotic organisms）的到来。研究人员详细探索了真核细胞的能量需求，与原核细胞相比，真核细胞平均更大、更复杂。他们的定量结果与生物学家尼克·莱恩（Nick Lane）和比尔·马丁（Bill Martin）首先提出的主流教条相反 。

从创世记到启示录（Genesis to Revelation）

尼克·莱恩和比尔·马丁的基本观点是，细胞的发育命运取决于其能量供应。简单的原核生物大多很小，由单细胞或小菌落组成，可以依靠更有限的能量储存来为它们的活动提供动力。但是，一旦细胞达到足够的大小和复杂性，它最终就会到达一个障碍，这些原核生物无法越过这个障碍，至少理论上是这样的。

根据这个想法，地球历史上的一个奇异事件使真核生物突然出现，然后真核生物生长并多样化，占据了地球上的每一个生态位，从海底喷口到北极苔原。当一个自由生活的原核细胞在其内部范围内获得另一个微小的有机体时，就发生了这种巨大的多样化。

通过一个被称为内共生（endosymbiosis）的过程，新的常驻细胞被这个原真核生物（proto-eukaryote）占据，为它提供额外的能量并使其转化。它所获得的内共生体最终会发展成线粒体——只有真核细胞中才有的细胞动力源。

因为今天所有复杂的生命都可以追溯到进化树（evolutionary tree）的一个真核生物分支，所以人们假设这种偶然的内共生事件，即线粒体的获得，在地球生命的整个历史中只发生过一次。这种自然的意外是我们都在这里的原因。如果没有线粒体，更大体积和更复杂的真核生物将无法在能量上生存。

新研究的作者声称，没那么快。

穿越边境（Crossing the borderlands）

保罗·沙夫梅克指出，虽然今天活的生物体中，原核生物和真核生物之间的区别是显而易见的，但在过渡阶段，情况就更加模糊了。最终，将获得现存真核生物的所有共同特征，产生一种生物体，研究人员称之为LECA即最后的真核生物共同祖先。

这项新研究探索了第一批真核生物的出现，并指出，不是将它们与原核生物祖先分开的硬边界线，而是真实的情况更加混乱。就细胞体积内部复杂性和基因数量而言，原核生物和真核生物之间没有不可逾越的鸿沟，这两种细胞形式享有相当大的重叠。

研究人员调查了一系列原核和真核细胞类型，以确定 a)原核生物中的细胞体积最终如何作用以限制呼吸所需的细胞膜表面积；b)根据细胞基因组的排列，一个细胞需要多少能量用于DNA活动；c) 对于不同体积细胞而言，内共生体的成本和效益。

事实证明，细胞可以生长到相当大的体积，并获得至少一些复杂细胞的特征，同时在特征上保持主要的原核特征，并且不存在线粒体。

不断升级的能源需求（Escalating energy demands）

研究人员检查了细胞的呼吸需求如何随细胞体积而变化。细胞的呼吸需求是通过可用于为细胞生长和维持提供ATP能量的ATP合酶分子（ATP synthase molecules）的数量来衡量的。他们还利用来自M. 林奇（M. Lynch）和马里诺夫（Marinov）的数据，描述了细胞表面积对能量需求的影响。

保罗·沙夫梅克说：“我们实际上观察了细胞的表面积，发现ATP合酶的数量增加得比细胞膜更快。这意味着在细胞大小增加的某个点上，会有一个体积限制，此时ATP合酶无法提供足够的ATP供细胞以一定的速度分裂。” 真核生物通过线粒体等内部膜结合结构提供的额外呼吸表面积来克服这一障碍。 

有趣的是，这种细胞体积限制不会发生在原核生物和真核生物的边界，正如之前的理论所预测的那样。相反，“它发生在更大的细胞体积上，大约10³ μm³，其中包含许多现有的真核生物。这就是让我们认为线粒体可能不是绝对必要的原因。它们可能有所帮助，但它们对于向更大容量的过渡并不是必不可少的，”保罗·沙夫梅克说。

当比较原核生物和真核生物内的基因排列时，也会发生类似的情况。据说原核生物的基因组结构是对称的，由圆形的双链DNA组成。许多细菌在每个细胞中都拥有多个基因组拷贝。

但真核生物有不同的基因组结构，称为不对称。真核生物基因组排列的关键优势在于它们不需要像原核生物那样在整个细胞中保持基因组拷贝。对于大多数基因来说，真核生物可以在细胞核中保持一个或两个拷贝;只有少量的基因存在于散布在细胞各处的线粒体基因组的许多拷贝上。

相比之下，大型细菌的整个基因组有许多拷贝，每个基因组都包含每个基因的拷贝，存在于整个细胞中。这种区别使真核生物的大小大大增加，而不会面临施加于原核生物的相同能量限制。但是，研究人员再次观察到原核生物和真核生物的基因数量存在显著重叠，这表明原核生物可以将其基因数量扩展到通常与较大真核生物相关的域，直到它们达到一个关键阈值，超过该阈值，它们的基因组对称性成为一个限制因素。

重新审视 LECA（LECA revisited）

早期真核生物进化（eukaryote evolution）的新图景为线粒体优先范式提供了一个合理的替代方案。进化并没有以一个宏大的姿态——偶然获得线粒体原型——来引领真核生物时代的到来，而是在巨大的时间跨度内，进行一系列试探性的、渐进的、逐步的变化，最终产生了复杂的细胞，其中包含复杂的内部结构并能够爆炸式地多样化。

新研究中引用的M. 林奇和马里诺夫的早期研究，采取了更为激进的观点，这意味着线粒体对早期真核生物几乎没有任何好处。这项新研究提出了一个更温和的观点，认为除了临界细胞体积之外，线粒体和现代真核细胞(eukaryotic cells)的其他特征，可能对于满足大细胞的能量需求是必要的，但如果没有这些创新，一系列较小的原真核生物可能也能过得很好。

因此，在向神秘的 LECA 事件过渡之前，可能有一系列生物体，这些生物体最初可能是没有线粒体的。

这项新研究还对真核生物转变事件的时间提出了质疑。也许伟大的转变始于真核细胞骨架（eukaryotic cytoskeleton）或其他先进结构的发展。当一个较小的原核生物被一个较大的原核生物吞噬时，通过一个被称为吞噬作用（phagocytosis）的过程，或者线粒体作为寄生虫侵入第一个原核生物，内部线粒体及其额外的细胞基因组可能就已经开始了。我们还需要进行更多的研究，才能自信地将一系列导致成熟真核生物的事件按正确的顺序排列。

保罗·沙夫梅克说：“我们不知道哪些进展是最先出现的。你可以想象，一系列生物体最初是由内膜和内囊泡开始的。然后，它们从这里发展出内质网（endoplasmic reticulum简称ER），完成对膜蛋白的处理，从这里得到细胞核。也许线粒体通过吞噬作用进入，你可以想象有一系列的步骤。但你如果说，‘哦，这是真核生物而且这仍然是原核生物’，实际上你不能这样做。”

本研究得到了EMBO博士后奖学金(EMBO Postdoctoral Fellowship: ALTF 21-2020)、摩尔·西蒙斯真核细胞起源项目，西蒙斯基金会735927 (Moore–Simons Project on the Origin of the Eukaryotic Cell, Simons Foundation 735927)、美国国立卫生研究院（National Institutes of Health, R35-GM122566-01）以及美国国家科学基金会（National Science Foundation, DBI-2119963）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Scientists discover potential key missing link protein bridging eukaryotes and prokaryotes

Abstract

The origin of eukaryotic cell size and complexity is often thought to have required an energy excess supplied by mitochondria. Recent observations show energy demands to scale continuously with cell volume, suggesting that eukaryotes do not have higher energetic capacity. However, respiratory membrane area scales superlinearly with the cell surface area. Furthermore, the consequences of the contrasting genomic architectures between prokaryotes and eukaryotes have not been precisely quantified. Here, we investigated (1) the factors that affect the volumes at which prokaryotes become surface area-constrained, (2) the amount of energy divested to DNA due to contrasting genomic architectures and (3) the costs and benefits of respiring symbionts. Our analyses suggest that prokaryotes are not surface area-constrained at volumes of 10⁰‒10³ μm³, the genomic architecture of extant eukaryotes is only slightly advantageous at genomes sizes of 10⁶‒10⁷ base pairs and a larger host cell may have derived a greater advantage (lower cost) from harbouring ATP-producing symbionts. This suggests that eukaryotes first evolved without the need for mitochondria since these ranges hypothetically encompass the last eukaryotic common ancestor and its relatives. Our analyses also show that larger and faster-dividing prokaryotes would have a shortage of respiratory membrane area and divest more energy into DNA. Thus, we argue that although mitochondria may not have been required by the first eukaryotes, eukaryote diversification was ultimately dependent on mitochondria.