Nature | “源”起洛基：真核生物标志蛋白结构的可视化

1977年，生物演化学家Carl Woese和George Fox通过对核糖体RNA序列特征的系统发育分析，揭示出细胞生命可从进化上归属于三大自然域：古菌、细菌与真核生物。上个世纪八十年代晚期开始，基因测序技术的发展使系统发育树日益完善，并揭示出古菌与真核生物在进化中拥有更近的亲缘关系（图1）。

图 1 系统生命树的发展与演变

有学者认为真核生物是古菌的姐妹种属（sister group），真核生物源起古菌，自然生命应该分为古菌与细菌两类，由此诞生的“二域学说”开始加入对生命起源的讨论。今天，学术界对于真核生物起源所需的“内吞噬”这一步骤基本达成了共识，但是对于吞噬者究竟是谁仍然还存在分歧。三域学说的支持者认为吞噬者可能是一种远古微生物，而二域学说则支持吞噬者是古菌（图2）。尽管拥有遗传学的证据支持，但由于缺乏对古菌种属更细致的鉴定与分类，对古菌内部的细胞结构也知之甚微，“真核生物源起古菌”这一理论仍然备受争议。

图 2 生命之域的辩论 

2015年，瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）的Thijs Ettema教授和他的团队通过提取DNA测序的方法，从“洛基城堡”向北约15公里的海底沉积物中（图3）鉴定出一种新的古菌门微生物，命名为Lokiarchaeota（洛基古菌）。洛基城堡（Loki's Castle）是位于大西洋中部，在格陵兰岛与挪威之间的海面下方2352米处的一片海底热液区，这里分布了多处热泉口，独特的地形结构也孕育着许多等待发掘的奇幻生命。

图 3 洛基城堡附近海域示意图

除了取自地理位置，洛基古菌的命名灵感也有部分是来自北欧神话中洛基的形象，意指“充满矛盾和困惑”，而这正好可以用来形容真核生物和古菌之间的进化关系。洛基古菌的基因组信息显示，它是目前发现的与真核生物亲缘关系最接近的古菌门物种，其基因组编码了大量的真核生物标志蛋白（eukaryotic signature proteins，ESPs），包括5个编码actin的基因、大量出现在真核生物中的编码小GTP酶的基因；此外还能编码几种含有gelsolin结构域的短蛋白，在真核生物中，这类蛋白参与肌丝蛋白的动态组装，从而调整细胞骨架的结构。而迄今为止，这些结构域似乎在细菌和任何其他古菌基因组中都不存在。洛基古菌的基因组信息暗示了它具有复杂的膜重塑能力（图4）。

图4 真核生物标志蛋白进化的推测进程 

随后，和Loki相关的一些新的古菌门类相继被报道，这些新的古菌门统称为Asgard(阿斯加德)——是北欧神话中阿萨神族的居所。阿斯加德类古菌的出现，对于支持“二域学说”的科学家来说无疑是一项有力的证据，但是仍然需要基因组学分析之外的更多信息来证明阿斯加德古菌与真核生物源起的“羁绊”。因此科学家们开始尝试对阿斯加德古菌进行富集和培养，期待“看清洛基的内部结构”！

2020年，来自日本的科研团队首次实现了阿斯加德古菌的分离与实验室培养。研究发现这类古菌的生长十分缓慢，需要和一些消耗氢分子的有机体共生才能缓慢达到较低的细胞密度。但他们也观察发现，阿斯加德古菌的细胞表面有较长的树杈状突起，据此提出了一种可能的吞噬模型来解释真核生物的起源经过（图5）。尽管如此，科研人员对阿斯加德古菌的理解仍然受限于它的生长与培养条件，无从对细胞内部结构做更精细的观察。

图 5 真核生物起源假说模型

2022年12月21日，奥地利维也纳大学的微生物学家Christa Schleper教授团队和瑞士分子生物学与生物物理研究所的Martin Pilhofer团队合作，在Nature报道了阿斯加德古菌的肌动蛋白细胞骨架结构（图6）。这项研究历经数年，研究者实现了对阿斯加德古菌在实验室中的富集培养，并利用冷冻电子断层成像技术（cryo-electron tomography， cryo-ET）可视化了阿斯加德古菌内部的细胞结构。

图 6  Nature：Actin cytoskeleton and complex cell architecture in an Asgard archaeon

将阿斯加德古菌从海底沉积泥中逐步转移到实验室的培养基环境是一项艰巨的任务。研究人员通过减少有机碳源、增加抗生素浓度的方法改进了一种“最小培养基”，实现了阿斯加德古菌在培养物中约占80%的富集率（图7）。研究人员对这个富集得到的培养物做进一步的基因组测序和比对分析，据此提出一个阿斯加德古菌的新的种属，将其命名为“Ca. L. ossiferum”。于是看清它的细胞结构成为研究者的下一个目标。

图 7 Ca. L. ossiferum的富集与培养

通过cryo-ET收集并处理富集培养物的细胞图像，可以清楚看到一类在表面具有突起的细胞，结合对其核糖体特征结构的粗略重构（图8 d），推测它可能是Ca. L. ossiferum细胞，另外也可以看到其他外形不同的单细胞微生物（图8 b, c）。

图 8  Ca. L. ossiferum细胞结构初现

随后，研究人员聚焦于这类Ca. L. ossiferum细胞，从图像中可以清晰地看到细胞内部的肌丝蛋白和分布的密密麻麻的核糖体（图9 d），以及扭曲与延伸的各种突起结构。再走近一点，在一些很细的突起结构的内部，肌丝蛋白的分布更为密集（图9 e, f）, 这里有可能包含一些簇状的肌丝纤维从而连接细胞内部的不同分区。

图 9 Ca. L. ossiferum细胞的内部结构

对观察到的肌丝蛋白进行subtomogram averaging的三维重构，发现它与真核生物的F-actin双螺旋结构和古菌的Crenactin结构都十分相似（图10 a, b, c）。此外，研究者利用Western blot（图10 f）和免疫荧光成像技术（图10 g, h）在这些肌丝蛋白中确认了Lokiactin的存在，推测Ca. L. ossiferum细胞骨架的结构是基于lokiactin形成的肌丝调节网络。

图 10 Lokiactin参与细胞骨架的形成

至此，研究者第一次成功实现对阿斯加德古菌的细胞结构可视化，这些直观的图像证据证实了真核生物标志蛋白在阿斯加德古菌中的存在。而阿斯加德古菌究竟是怎样吞噬细胞从而向真核生物演化，这中间还有许多等待被看见的过程。

“眼见为实”的背后，是利用结构生物学手段去拓展我们对生命进化认知的边界。在此之前，学术界期待“抓住洛基，看清洛基”。而在我们能够“看见洛基”之后，则需要思考洛基和它的朋友们是怎样建立起新的生命结构。无论是细胞融合还是细胞分裂，今天的技术手段可以怎样去模拟、去还原真实发生的生命过程，这是结构生物学不断向前发展的动力，也是我们理解生命、认识细胞的崭新开始。

参考文献

1. Eme, L., Spang, A., Lombard, J. et al. Archaea and the origin of eukaryotes. Nat Rev Microbiol 15, 711–723 (2017). https://doi.org/10.1038/nrmicro.2017.133

2. Spang, A., Saw, J., Jørgensen, S. et al. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature 521, 173–179 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14447

3. Imachi, H., Nobu, M.K., Nakahara, N. et al. Isolation of an archaeon at the prokaryote–eukaryote in

terface. Nature 577, 519–525 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1916-6

供稿 | 王雨蒙

审稿 | 赵雅娴

责编 | 囡囡

排版 | 可洲