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真核细胞进化的秘密 精选

已有 6492 次阅读 2022-12-22 08:38 |系统分类:海外观察

在赞叹这种新发现的同时,我们应该敬佩科学家勇敢探索的精神,为我们了解生物世界的历史提供了重要线索。这种古菌非常难培养,这些科学家通过改变各种环境条件,获得了高比例的古菌。通过使用高分辨率成像方法,获得了清晰的超微观结构。虽然这还不能作为最后结论,但增加了主动吞噬共生关系的证据,这些研究也让我们了解到一种普遍存在于周围环境,但由于不导致疾病,比例非常低,默默无闻的祖先细胞。

目前学术界广泛认为,真核细胞是古菌和细菌共生体。但是细菌是如何进入古菌体内的过程一直是学术界没有明确的问题。最近一项研究表明,古菌通过吞噬把细菌摄取入体内的方式,所谓由内而外模型,就是动力来自古菌内部的说法可能是正确的答案。

一种神秘的阿斯加德古菌是所有真核细胞祖先的亲戚,已经在实验室中成功生长。它的内部结构为真核细胞的早期进化提供了线索。动物,植物和真菌的含细胞核细胞,称为真核细胞,在进化过程中通过合并两种微生物(古菌和细菌)的细胞而产生,该过程称为真核发生。这究竟是如何发生的仍然是个谜。从一组称为Asgard古菌的微生物中发现的DNA序列表明,它们是与真核发生相关的古菌谱系的最佳候选者。然而,事实证明,阿斯加德古菌很难在实验室中生长。在《自然》中写作,罗德里格斯-奥利维埃拉等报告了阿斯加德生物Lokiarchaeum ossiferum的成功培养,这是迄今为止在实验室中培养的第二个这里微生物Prometheoarchaeum syntrophicum是第一个,但无法确定这些古菌的细胞内组织的某些细节。

Rodrigues-Oliviera及其同事报告的细胞有许多表面突起和收缩(图1),这可以说是最令人信服的真核发生理论预测的,称为由内而外模型,它提出真核发生是通过古菌细胞的细胞膜吞噬细菌而发生的Rodrigues-Oliviera等人使用原子结构测定通过电子显微镜直接在细胞中分析的大分子,以鉴定富含这些阿斯加德古菌的培养物样品中的Lokiarchaeum ossiferum

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1 |阿斯加德古菌细胞。 a由内而外的模式3为真核细胞(动物、植物和真菌的含细胞核细胞)是如何产生的提出了建议。该模型表明,当两种类型的微生物细胞 - 一种古菌细胞和一种细菌 - 合并时,它们形成,当细菌通过古菌的膜突起吞噬进入古菌细胞内部时。

作者还可视化了细胞内蛋白丝,其与称为细胞骨架的真核内部结构的关键F-肌动蛋白丝非常相似。虽然已经预料到了5阿斯加德古菌将包含比细菌和其他古细菌更复杂的细胞骨架,然而,在细胞中看到这些细丝仍然是基因组学、艰苦的微生物学和结构细胞生物学的先进领域实现的胜利,该领域使用冷冻电子断层扫描 (cryo-ET) 成像。对真核发生的理解可能并不像曾经认为的那么遥远。

复杂生命从简单形式进化而来是生物学的一个重要特征。真核生物是地球上最复杂的多细胞生物。所有真核细胞内都有细胞核和线粒体,真核细胞有一个充满DNA的细胞核,提供能量的细胞器,如线粒体,细胞内膜网络,包括内质网和一个复杂的细胞骨架,其核心具有由蛋白质肌动蛋白和微管蛋白组成的细丝。根据系统发育方法线粒体起源已被追溯到一组称为α变形杆菌的细菌

七年前发现阿斯加德古菌揭示了这是一种与真核生物DNA序列关系最密切的非真核生物。事实上,这种关系是如此密切,以至于我们不能排除真核生物直接来自阿斯加德血统之一的可能性。或者,换句话说,生命之树可能只有两个分支,细菌和古菌。我们人类也只是古菌树枝上的一根小树枝。

这种接近性反映在具有许多真核特征蛋白(ESP)的阿斯加德古菌中,这些蛋白质几乎只存在于真核生物中,并且通常与独特的真核过程有关,例如细胞内在膜结合隔间之间货物移动。许多Asgard生物含有真核生物样成分,这些成分参与真核细胞的细胞内运输,以及泛素系统中降解真核生物中蛋白质的成分。大多数阿斯加德古菌还含有细胞骨架蛋白,如肌动蛋白和肌动蛋白调节剂,它们类似于驱动真核生物细胞动力学的细胞动力学。虽然细菌和非阿斯加德古菌也含有细胞骨架,但这些细胞骨架与真核细胞骨架的关系更远,它们的调节剂不同

使用宏基因组学方法鉴定出更多的阿斯加德古菌(Lokiarchaeota),研究发现存在更多的阿斯加德古菌。令人惊讶的是,这些生物栖息在既不极端也不罕见的生态位中,鉴于它们基本上无处不在,它们可能被期望更早被发现。我们只是不知道它们的存在,因为它们不丰富,与疾病无关,并且通常生长缓慢

第一批阿斯加德微生物花了多年时间才被培养出来。Prometheoarchaeum syntrophicum与其他原核生物(即缺乏细胞核的其他细菌和古细菌)一起生长,该系统提供共享的营养和其他潜在益处(syntrophy)。成像显示细胞具有膜封闭的突起,以支持由内而外的理论,但无法确定其他内容。

罗德里格斯-奥利维埃拉等人着手改变这种状况。从含有约4%阿斯加德古细菌的沉积物样本开始,作者尝试了一系列条件来丰富和培养这些生物。使用最少的营养物质培养基,抗生素和缺氧(厌氧)条件,作者最终将L. ossiferum生长到80%富集(即,它代表了存在的生物体的80%)。这些被认为是“快速”的阿斯加德但它们7-14天的缓慢生成时间表明了研究人员遇到的困难。值得注意的是,L. ossiferum也与其他物种同养生长,其中一些是细菌。

获得了丰富的培养物,科学家能够对大约600万个碱基对的骨芽孢杆菌基因组进行高标准的测序。这一点至关重要,因为就在几年前,阿斯加德生物的存在受到质疑,因为当时可用于测序的宏基因组方法没有发现它们的证据。现在,这样的疑虑不能持续下去。

然后,作者检查了L. ossiferum的细胞。对于大多数光学显微镜方法来说,这些细菌细胞太小了,因此Rodrigues-Oliviera及其同事转向冷冻电子断层扫描以3-5纳米的分子分辨率生成细胞的3D图。但是,如何确定在不是均匀物种的样本中观察哪些细胞呢?这就是工作变得特别巧妙的地方。作者解决了大细胞成分(核糖体)的结构,以确定哪些细胞是Asgard,如其核糖体RNA中提供标志的片段所示。这是近二十年前设想的视觉蛋白质组学概念的美丽运用

L. ossiferum的结构图揭示了许多让科学家迷茫的特征。细胞膜有许多突起,并且没有通过细胞壁或任何有序的表层结构来加强,并且其表面粗糙,很可能是因为蛋白质突出。DNA被限制在细胞体内(它不在突起中),正如由内而外模型所预测的那样。精确的结构图使人们能够在细胞体和突起中看到许多细丝(图1)。使用冷冻电子断层扫描和平均方法,作者可以识别细丝中的双螺旋结构,这与真核F-肌动蛋白丝中的排列惊人相似。

第二个阿斯加德生物成像也有表面突起的发现支持了真核发生的由内而外的理论。F-肌动蛋白丝在L. ossiferum中的定位可能表明细丝在膜的形成中起作用,尽管这需要得到证实。

没有发现细胞内膜,鉴于存在与细胞内膜运输相关的ESP,例如GTP酶,Sec24ESCRT蛋白,这是令人惊讶的。人们可以推测,这些ESP反而参与了进出阿斯加德细胞的囊泡运输。正如由内而外模型所预测的那样,这种运输可能需要在L. ossiferum细胞之间以及它们与它们的合养伴侣之间进行。这些蛋白质也可能局部调节膜以实现突出。

另外发现表明阿斯加德生物更喜欢或需要“社会”生活方式。这表明细胞合并事件可能比过去设想更频繁。例如,有可能找到与导致真核生物的细胞不同的合并细胞 - 我们可能只需要更努力地寻找。未来还有建立具有遗传和成像潜力的阿斯加德模式生物。此时,我们应该惊叹于已经发现的新生物世界的美丽。

Mysterious Asgard archaea microbes reveal their inner secrets (nature.com)



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