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20亿年前,高等生命从“触角”菌中起步

古生菌就生存在海底火山附近的极端环境中。图片来源:NOAA Vents Program


真核细胞大概在20亿年前出现在地球上,但我们一直并不清楚它从哪里演化而来。现在,有科学家花了12年培养出了10几亿年前的古生菌,一些演化学说开始站不住脚,而新的演化过程正逐渐展现在我们面前。


编译丨石云雷

编辑丨杨心舟



古生菌,第三个重要成员


地球上,最早的原核细胞祖先大约出现在30亿年前,而它们经过10亿年的演化之后,才出现了最早的真核细胞祖先,而人类也是由这些真核细胞逐渐演化才产生的。


与原核细胞相比,真核细胞具有多种典型的细胞器和由核膜包括的细胞核,这让它们能向更复杂、更高级的生物演化真核细胞被认为是地球生活史上的重大进化创新之一。但真核细胞更复杂,并且与原核细胞已经出现了隔离,因此想要了解真核细胞的演化过程就更加困难。


真菌是一种简单的真核生物,关于真菌的形成过程,存在着很多猜想。美国生物学家Lynn Margulis在整理大量研究和观察数据后,于1970年提出了内共生学说。这个学说认为,线粒体起源于能进行氧化磷酸化的细菌,而叶绿体则起源于能进行光合作用的蓝细菌,这些细菌被变形虫状的原始真核细胞所吞噬后,逐渐演化成了多样化的真核生物。虽然这个猜想一直没有得到证明,但是也被大家所接受。


20世纪70年代,美国伊利诺伊大学微生物系的教授Carl Woese发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上的一项研究中,他发现了一种外形上与大肠杆菌相似、能产生甲烷的微生物。这种微生物的核糖体RNA与大肠杆菌等大多数细菌具有明显的差异,而与生活在高盐、温泉或火山口环境中的微生物具有更近的亲缘关系。


Carl Woese提出了著名的“三域学说”


Woese根据微生物核糖体RNA的差异,划分了所有微生物的亲缘关系,并提出了划时代的“三域学说。而PNAS上发表的这类微生物被单独划分出来,并且由于它们的生活环境更接近于早期地球,被命名为“古生菌”。这个“域”的概念比“界”更广,在Woese的理论中,三种域包括,细菌、古生菌和真核生物。


同时,Woese还惊讶地发现,古生菌与真核生物存在一些相似性,包括以甲硫氨酸为起始氨基酸的蛋白质合成方式,DNA具有内含子并结合组蛋白,具有真核细胞相似的RNA聚合酶等。



与真核生物相似


在格陵兰岛和挪威之间的海域中,有一片被称为“洛基城堡”(Loki's Castle)的大洋中脊。这里充满了热泉口,时不时就有超高温的液体从洞口喷涌而出。卑尔根大学的Steffen Jorgensen曾冒险涉足了这片区域,他在距离“洛基城堡”15千米,深达3283米的海底,采集了一份珍贵的样品。


当这份样品转移给乌普萨拉大学细胞和分子生物学系的教授Thijs Ettema时,他提取了样品中的DNA,并进行了深度基因组测序。利用基因组数据,Ettema拼接出了一种新古生菌的DNA。这个来自深海的古生菌,被命名为洛基古菌Lokiarchaeota)。而Ettema最终获得了它92%的基因组以及5381个蛋白编码基因(Ettema在2015年的论文中已经确认这些基因不可能来自真核生物)。


Thijs Ettema教授


对于这个新发现的古生菌,Ettema首先根据它的基因组序列,确定它的演化分支位置。在基于基因组构建的演化树中,真核生物与洛基古菌与关系很近,从遗传谱系来看,它们甚至算得上洛基古菌的姐妹分群


在蛋白组成上,有三类只在真核细胞中存在的蛋白:细胞骨架蛋白、ESCRT复合体和鸟苷酸三磷酸酶,洛基古菌都拥有相似的蛋白成分。这些蛋白在真核细胞中参与了各种重要的调控过程,包括细胞骨架重塑、信号转导和囊泡运输。


这项研究于2015年于5月在《自然》上发表时,Ettema表示洛基古菌的发现或能解释古生菌与真核细胞存在的相同特征,补充原核细胞在向真核细胞演化过程中缺失的理论空白。


仅在两年之后,Ettema和研究团队在《自然》上发表了另一篇文章。这次,他们汇集了来自洛基城堡、美国科罗拉多河含水层、黄石国家公园、白橡树河,以及丹麦的奥胡斯湾等地区中的古生菌DNA。


不负所望,他们在这些地区的研究中又另外发现了与洛基古菌具有亲缘关系的3个古生菌门,分别是Thorarchaeote、Odinarchota和Heimdallarchota,并将它们归属到阿斯加德古生菌Asgard)中。


而Ettema更是重建了这4种古生菌近乎完整的基因组图谱。他们注意到,阿斯加德古生菌在演化树中的位置同样与真核生物最接近。在基因图谱中,他们检测到大量真核标记蛋白(ESP)基因,同时还包括参与真核细胞的囊泡形成的同源蛋白基因。



这些古生菌中的多种蛋白,可归属于真核细胞的特征“蛋白质库”,而这些正是真核细胞复杂性形成的关键蛋白。在基因和蛋白研究数据的支持下,Ettema进一步提出真核细胞和古生菌在演化上起源于同一个分支,极大地冲击了Woese提出的“三域”学说。


另外,Ettema对这些阿斯加德古生菌基因组中的小亚基rRNA基因进行分析表明,阿斯加德古生菌存在于多种厌氧环境的沉积物中。此前,还没有人能够在真实环境中培养出阿斯加德古生菌,不过现在这一局面发生了改变,因为在最近的一项研究中,日本的微生物学在实验室中培养出了阿斯加德古生菌。


三域学说中的古生菌进化树(b)二域的卵母细胞树(two-domain eocyte tree)




12年培养成功


科学家曾推测大约20亿年前,一个好氧菌被阿斯加德古生菌吸收,之后它在古生菌体内定居并变成线粒体,通过消耗氧气为宿主提供能量。不过目前为止,阿斯加德古生菌存在的大多数证据都来自于独特序列的DNA片段。想要培养出阿斯加德古生菌很困难,因为它们生活的环境,如深海海床很少有人类涉足。同时它们生长缓慢,很难被发现。


最近,日本的微生物学家宣称,经过12年的努力,他们从深海海床样品中培养出了阿斯加德古生菌MK-D1。这种菌在基因、蛋白质组成上与真核细胞的相似性以及其细胞的形态特征,可以揭示简单的原核生物向复杂真核生物的演化过程。


Hiroyuki Imachi


早在2006年,日本地球科技研究所Hiroyuki Imachi就乘坐潜水器潜入2500米深的深海海床,采集了这些样品。在之后的2000天里,他们将这份样品培养在生物反应器中,并持续不断地充入深海海床中常见的一种气体—甲烷。


研究人员驾驶潜水器Shinkai 6500收集了深海海床的底泥,并从中分离到对复杂细胞的进化有潜在关键作用的微生物。


Hiroyuki往培养玻璃管中添加了多种营养成分和其它必需物质,并还加入了4种抗生素,防止细菌造成污染。在长达一年的死寂后,他们终于在一只玻璃管中检测到了微生物。在分析了样品DNA后,他们确定里面含有阿斯加德古生菌,而这也正是他们十多年来梦寐以求的生命。


在培养的早期,Hiroyuki观察到样品中含有丰富的硫酸盐还原菌。只有当这种菌被抗生素杀死后,古生菌MK-D1和产甲烷菌才会逐渐富集,并且这两者表现出一种共生关系。MK-D1会首先分解食物中的氨基酸,释放出氢气,但氢气的积累可能会导致降低MK-D1的生长速度。而共生菌能消耗氢气,促进MK-D1的生长和繁殖。这些复杂的协作关系,也正是导致阿斯加德古生菌难以在实验室培养的一个原因。


现在Hiroyuki已经获得了MK-D1的实体,但这种古生菌繁殖一代,需要长达20天的时间。在耐心的等待之后,Hiroyuki富集了足够数量的古生菌,并可以进行更加深入的研究。Hiroyuki和同事以在希腊神话中用泥巴创造了人类的普罗米修斯( Prometheus ),将这种古生菌MK-D1命名Prometheoarchaeum syntrophicum


在不同培养时间内,试管中古生菌的生长状态。古生菌MK-D1在不断富集。


Hiroyuki对样品中的所有微生物进行了DNA测序后,采取与Ettema相同的方法进行基因组的构建。不出意外,Hiroyuki也在MK-D1中发现了与真核生物相似、参与构建真核生物关键蛋白的基因。


另外,现在Hiroyuki已经获得了高纯度的阿斯加德古生菌培养物,他们终于有机会一睹MK-D1的真容。Hiroyuki和同事利用电子显微镜对这种古生菌形态和培养状态进行观察,结果显示古生菌MK-D1可以产生类似于“触角”的附属物。基于包括“触觉”在内的这些观测、基因组中包含的代谢信息以及当时的地球演化环境,Hiroyuki提出了真核细胞演化的缠绕-包裹-奴役(Entangle-Engulf-Enslave)的E3模型。


MK-D1的扫描电镜图片

  

他们根据地球的演化进程,推测了10亿年间古生菌MK-D1的演化模式。在早期的海洋中,在大氧化事件(Great Oxidation Even,GOE)之前,海洋中硫酸盐浓度较低, MK-D1的与产甲烷的古生菌共生。而随着海洋和大气的游离氧含量增加,海洋硫酸盐浓度上升,古生菌MK-D1开始与硫酸盐还原菌(SRB)进行共生。


在GOE时期,蓝藻的大爆发也给海洋带来了大量有机物和氧气,导致多余的有机物转移到海洋沉积物。厌氧的阿斯加德古生菌不得不在两条生存途径中进行选择,要么生存在严格的厌氧生境中,要么向厌氧-有氧的界面前进,获得更多的有机物


然而选择了第二种途径的阿斯加德古生菌,为了进一步适应较高的氧气浓度,需要与好氧菌竞争有机营养物,而且还必须要获得利用氧气的能力,那么可供它们选择的两种途径,要么是获得有氧呼吸(即电子传递链和末端氧化酶),要么是吞噬可以利用氧气的细菌来消耗氧气。


从观察到的阿斯加德古生菌形态上,Hiroyuki推断它们利用“触角”去缠绕并吸收能利用氧气的细菌,这可能是不得为之和能量消耗更小的途径。但也不能排除,阿斯加德古生菌“触角”附着物是在氧气压力下逐渐筛选和演化产生的。


最终只有“触角”包裹好氧细菌的阿斯加德古生菌,才能在氧气丰富的环境中生存下来。而当这种复合生物体,从底泥环境中进入营养更加丰富的海洋环境后,海水的阻力使促使阿斯加德古生菌的膜融合,最终将好氧细菌永久地束缚在细胞膜内。融合之后的好氧菌逐渐演化成了线粒体,阿斯加德古生菌也开始游荡到海洋中,后续演化成为了我们现在看到的真核生物


真核细胞演化的Entangle-Engulf-Enslave(缠绕-包裹-奴役)的E3模型



下一个古生菌


Ettema提示,生活在20亿年前的真核细胞始祖,可能行为上与古生菌MK-D1并不会完全一致。而对古生菌DNA的研究数据表明,还存在其他与真核生物更近缘的古生菌。日本科学家消耗了长达12年的时间培养这种微生物,将促进其他科学家在实验室中,对其他亲缘关系更近的古生菌进行分离和培育。Ettema说“我相信,要培养获得下一个Asgard,将不需要在花费12年的时间。”


Ettema还表示,这是一项备受瞩目的研究工作。尽管该研究是最近才发表在《自然》上,但在此以前,这项研究就已经在社交媒体火了起来,先后被大家誉为“年度最佳论文”和“微生物生态上的登月事件”。现在,这些20亿年前的古细菌还有更多的故事等待我们去发掘。


参考链接:

https://www.sciencemag.org/news/2019/08/tentacled-microbe-could-be-missing-link-between-simple-cells-and-complex-life

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02430-w

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/726976v2

https://link.springer.com/content/pdf/10.1186%2Fs12915-015-0194-5.pdf

https://www.nature.com/articles/nature14447

https://www.nature.com/articles/nature21031




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