Expanded diversity of Asgard archaea and their relationships with eukaryotes

Nature [IF:42.778]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03494-3

发表日期：2021-04-28

第一作者：Yang Liu¹, Kira S. Makarova², Wen-Cong Huang¹

通讯作者：Eugene V. Koonin (koonin@ncbi.nlm.nih.gov)²，Meng Li(李猛，limeng848@szu.edu.cn)^1,2,3 

合作作者: Yuri I. Wolf, Anastasia N. Nikolskaya, Xinxu Zhang, Mingwei Cai, Cui-Jing Zhang, Wei Xu, Zhuhua Luo, Lei Cheng

主要单位：

¹深圳大学高等研究院(Shenzhen Key Laboratory of Marine Microbiome Engineering, Institute for Advanced Study, Shenzhen University, Shenzhen, P. R. China)

²美国国家生物技术信息中心，国家医学图书馆，美国国立卫生研究院(National Center for Biotechnology Information, National Library of Medicine, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA)

深圳大学高等研究院李猛教授团队在《自然》发表研究长文（Article）揭示阿斯加德古菌新门及其与真核生物的关系

2021年4月28日，深圳大学高等研究院李猛教授课题组在《自然》发表了题为“阿斯加德古菌的多样性及其与真核生物的关系”的研究长文(Article)。该项研究从我国的滨海湿地和近海沉积物到西太平洋深渊等样品中发现六个阿斯加德古菌新门并建立首个阿斯加德古菌功能基因库（AsCOG），研究还深入分析阿斯加德古菌的基因组和代谢潜能，重构了由原核生物（细菌、古菌）和真核生物组成的生命之树，从系统发育进化关系、真核特征蛋白功能演化及生理代谢的互作等方面详细阐释了阿斯加德古菌与真核生物的关系，为认识真核生物起源这一未解的生命科学之谜提供了新见解。

该项研究由深圳大学、美国国立卫生研究院、自然资源部第三海洋研究所和农业部沼气科学研究所等单位合作完成。深圳大学高等研究院李猛教授和美国国立卫生研究院Eugene Koonin教授为论文共同通讯作者，刘杨副研究员（深圳大学）、Kira Makarova博士（美国国立卫生研究院）和黄文聪硕士研究生（深圳大学）为共同第一作者。

阿斯加德（Asgard）古菌，又名仙宫古菌，是最近确立的第四个古菌超门。基于基因组数据的系统发育分析，有学者提出真核生物可能起源于阿斯加德古菌。2019，日本学者首次高度富集了一类阿斯加德古菌—洛基古菌，证实其携带编码类似真核细胞结构与代谢功能的一系列基因。Science杂志将阿斯加德古菌和真核生物起源的研究列为2019年的十大科学进展之一。因此，探讨阿斯加德古菌与真核生物起源已成为当前国际生命科学研究的前沿热点。

最初的五个阿斯加德古菌门类均以北欧神话中的神命名，包括洛基古菌、索尔古菌、奥丁古菌、海姆达尔古菌和海拉古菌等。李猛教授课题组于2020年初在我国红树林湿地沉积物中率先发现了第六个阿斯加德古菌门，将其命名为葛德古菌（Gerdarchaeota，女巨人）。在此基础上，李猛教授课题组与Eugene Koonin教授课题组等开展深入合作，对现有基因组和不同环境样品的宏基因组进行整合分析，获得了162个高质量的阿斯加德古菌基因组，其中75个属于尚未报道的新基因组，从中发现了6个尚未被报道的阿斯加德古菌新门，其中5个门类分别以北欧神话的神命名为赫尔莫德古菌（Hermodarchaeota，赫尔莫德：神使）、巴德尔古菌（Baldrarchaeota，巴德尔：光明之神）、霍德尔古菌（Hodarchaeota，霍德尔：黑暗之神）、包尔古菌（Borrarchaeota，包尔：奥丁的父亲）和卡瑞古菌（Kariarchaeota，卡瑞：风之神），还有一个更为古老的阿斯加德古菌新分支则以中国古典名著《西游记》中大闹天宫的齐天大圣“孙悟空”的名字命名为悟空古菌（Wukongarchaeota），以彰显我国文化自信。分析表明，悟空古菌具备氢氧化的化能自养代谢潜能，显著区别于其他阿斯加德古菌混合营养或异养的代谢模式，这也是将其命名为中国神话人物的原因。

图一：阿斯加德古菌超门的系统发育分析（图中红色为我们新命名的7个门类），右图为卡通人物形象。

这项研究还排除了物种和保守标记基因的选择方面对系统发育分析结果稳健性的影响，构建了一个具有高物种覆盖度的生命之树，系统地分析了阿斯加德古菌和真核生物之间的进化关系。结果显示，真核生物起源于阿斯加德古菌内部，即海姆达尔-悟空的共同祖先分支，或起源于其他更古老的未知古菌分支（图二）。

图二：阿斯加德古菌和真核生物的系统发育关系

该研究建立首个阿斯加德古菌功能基因库（asCOG），发现大量的新型的真核特征蛋白，主要涉及胞内物质分泌和运输、囊泡运输、蛋白质的翻译后的修饰、更新和伴侣折叠等过程。研究还发现这些真核特征蛋白在12个阿斯加德古菌门中的分布较为零散，并且具有多样的蛋白结构域，暗示阿斯加德古菌具有显著的动态进化历史过程。此外，研究还重构了阿斯加德古菌关键代谢途径的演化过程，提出了真核生物可能起源于“自养型阿斯加德古菌与发酵型细菌”的代谢共生模式，为解答真核生物起源这一重大科学问题提供了新的见解（图三）。

图三：阿斯加德古菌关键代谢过程的重构与演化

本研究受到国家自然科学基金委、广东省教育厅创新团队和深圳市科创委等项目的资助。