當今，地球上生命存在形式有兩個主流假說：“三域?qū)W說”（細菌、古菌、真核生物）和“二域?qū)W說”（細菌、古菌-真核生物）。但近年發(fā)現(xiàn)證明，真核生物可能起源于古菌中的“阿斯加德古菌”，這一發(fā)現(xiàn)支持了“二域說”。但真核生物究竟起源于阿斯加德古菌的哪一支類群，一直存在爭議。
北京時間5月7日晚，華東師范大學河口海岸全國重點實驗室研究員董宏坡和侯立軍團隊聯(lián)合深圳大學研究團隊在國際頂級期刊《自然》發(fā)表最新研究成果，挑戰(zhàn)了此前關(guān)于真核生物祖先起源于阿斯加德古菌海姆達爾綱（Heimdallarchaeia）內(nèi)部，作為霍德爾目（Hodarchaeales）姐妹的假說。該研究將真核生物起源位置精確定位為海姆達爾綱的姐妹類群，這一發(fā)現(xiàn)表明真核細胞的起源時間可能約在27.2億年前，早于地球大氧氣事件，這為理解真核細胞形成機制提供重要的線索。
在《自然》發(fā)表文章。本文圖片來源均為華東師范大學
研究團隊以我國紅樹林濕地和河口鹽沼濕地為“天然實驗室”，歷時6年采集沉積物樣本，利用計算生物學研究技術(shù)，揭示真核生物祖先可能在海姆達爾綱（Heimdallarchaeia）古菌分化之前就已經(jīng)形成。
華東師范大學河口海岸全國重點實驗室2021級海洋生物學專業(yè)博士生張家偉（左）為論文唯一第一作者，指導教師董宏坡研究員（右）為論文第一通訊作者
生命起源之爭：定位真核生物祖先在古菌內(nèi)部的分化節(jié)點
近年來，多項系統(tǒng)發(fā)育分析和基因組功能蛋白研究揭示真核生物核基因組可能從阿斯加德古菌進化而來。但隨著阿斯加德古菌多樣性的增加，定位真核生物祖先在阿斯加德古菌門內(nèi)部的分化節(jié)點顯得尤為重要，因為這關(guān)乎到真核生物細胞在地球上首次出現(xiàn)的時間，以及彼時古菌祖先的生活方式。
2023年《自然》發(fā)表了瑞典科學家的研究成果，將真核生物在系統(tǒng)發(fā)育樹上定位到阿斯加德古菌的海姆達爾綱內(nèi)部，與霍德爾目（Hodarchaeales）互為姐妹群系，但該結(jié)果因僅使用未受廣泛認可的非核糖體標志蛋白基因集而備受爭議。
為此，華東師范大學團隊通過整合新組裝的223個高質(zhì)量的阿斯加德古菌基因組和NCBI數(shù)據(jù)庫現(xiàn)存的基因組，構(gòu)建了一個包含411個阿斯加德古菌基因組的數(shù)據(jù)集。針對最新的數(shù)據(jù)集，研究團隊重新選取多套標志蛋白，結(jié)合系統(tǒng)基因組學方法，以高置信度將真核生物定位到阿斯加德古菌海姆達爾綱之外，與海姆達爾綱互為姐妹。
使用串聯(lián)67個標志蛋白構(gòu)建的最大似然樹，顯示真核生物（Eukarya）與海姆達爾綱互為姐妹群系。
因何混淆定位？涅爾德古菌含有“嵌合體”
涅爾德古菌因含有較多的類真核蛋白，被認為屬于阿斯加德古菌門，但是系統(tǒng)發(fā)育分析卻發(fā)現(xiàn)該古菌目在古菌中的進化地位不穩(wěn)定，當使用傳統(tǒng)核糖體標志蛋白時，該古菌進入TACK超門，與初古菌互為姐妹；但是當使用57個非核糖體蛋白時，它卻進入阿斯加德古菌門。更重要的是，當加入真核生物基因組構(gòu)建發(fā)育進化樹時，該古菌位置的變化顯著影響著真核生物的進化位置。
研究團隊敏銳地意識到涅爾德古菌目是解決真核生物在古菌中進化地位的關(guān)鍵所在。
面對這個棘手的問題，研究團隊打破常規(guī)，采用逆向思維，找到了最關(guān)鍵的解決思路——通過短讀長序列回貼、基因組覆蓋度分析、序列重疊群聚類和分類譜分析發(fā)現(xiàn)涅爾德古菌基因組同時包含阿斯加德古菌及其姐妹超門TACK古菌的序列成分。例如在涅爾德古菌基因組中，大約24-60%的重疊群（Contigs）屬于TACK古菌，而僅3-35%的重疊群屬于阿斯加德古菌。
研究團隊推斷，當使用的標志蛋白更多地分布到阿斯加德古菌序列中，則涅爾德古菌進入阿斯加德古菌門，反之，則進入TACK古菌超門。涅爾德古菌含有的嵌合體可能是導致前人將真核生物定位到阿斯加德古菌海姆達爾綱內(nèi)部的可能原因。
序列重疊群（contigs）分類和基因組覆蓋度分析顯示涅爾德古菌含有嵌合體
探尋共同祖先，還原生命起源場景
團隊在闡明真核生物在阿斯加德古菌中確切位置之后，通過分子定年與祖先代謝重構(gòu)，推斷出阿斯加德古菌與真核生物的最后共同祖先（LAECA）約出現(xiàn)于27.2億年前（早于大氧化事件），可能是一個使用氫氣作為電子供體的厭氧產(chǎn)乙酸古菌。該祖先具有完整的古菌型伍德-隆達爾途徑（Wood-Ljungdahl），為其依賴氫氣進行化能自養(yǎng)生長提供了可能。
此外，該祖先基因組中也編碼不完整的有氧呼吸鏈中的末端氧化酶，可能是通過水平基因轉(zhuǎn)移從兼性好氧的共生菌中獲取，并參與低氧條件下的解毒功能。更重要的是，LAECA包含多種對氧氣非常敏感的參與細胞關(guān)鍵代謝途徑的酶，因此，它們最初可能是在太古宙缺氧的深海環(huán)境中進行厭氧生長。
結(jié)合上述多方面證據(jù)，該研究支持了真核生物的氫起源假說，即真核生物起源于一個依賴氫氣的古菌宿主與一個產(chǎn)氫細菌的融合。
關(guān)鍵阿斯加德古菌祖先的代謝功能重建
六年磨一劍，在泥潭中尋找生命起源密碼
古菌在普通環(huán)境中豐度低、分布不均勻，尋找新的古菌類群難度極大。研究團隊在我國紅樹林自然保護區(qū)以及河口鹽沼濕地開展了大量宏基因組測序工作，成功組裝出眾多新型古菌類群。這次研究工作是在積累了6年的阿斯加德古菌基因組上完成的。為獲取關(guān)鍵樣本，團隊曾深夜冒險進入紅樹林，在蚊蟲圍攻和泥濘中艱難采樣。
科研團隊在我國紅樹林濕地采集沉積物
董宏坡研究員于2018年底進入華東師范大學河口海岸全國重點實驗室，開展濱海濕地古菌生物多樣性及其環(huán)境適應(yīng)機制研究。董宏坡表示，由于進化樹的樹型需要最大似然法（ML）和貝葉斯推斷法相互驗證，而貝葉斯推斷法要耗費大量的計算資源，河口海岸全國重點實驗室的大型集群發(fā)揮了重要作用，為研究快速推進提供了強大的硬件支持。
“認識真核細胞的形成機制對理解生命演化規(guī)律、生物多樣性、疾病機制乃至地外生命探索均具有深遠影響?！毖芯繄F隊表示，下一步期待從濱海濕地資源庫中尋找更多海姆達爾綱古菌基因組以及富集純化出這類古菌，開展其生態(tài)功能、生理代謝特征等相關(guān)研究。
華東師范大學河口海岸全國重點實驗室2021級海洋生物學專業(yè)博士生張家偉為論文唯一第一作者，指導教師董宏坡研究員為論文第一通訊作者。華東師范大學侯立軍研究員為共同通訊作者。華東師范大學劉敏教授和深圳大學李猛教授團隊成員為論文的共同作者。華東師范大學河口海岸全國重點實驗室為論文第一完成單位。該研究受到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目支持。
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