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通过神秘古生菌寻找构成人类、植物等复杂生命细胞的进化线索

在美国怀俄明州黄石国家公园大棱镜温泉中,一些古生菌能在滚烫的温泉水中成长

在美国怀俄明州黄石国家公园大棱镜温泉中,一些古生菌能在滚烫的温泉水中成长

科学家正在研究嗜酸热硫化叶菌(图左)、富盐菌(图中)、甲烷八叠球菌(图右)这样的古生菌如何生长和分裂的,从而阐明复杂细胞的进化历程

科学家正在研究嗜酸热硫化叶菌(图左)、富盐菌(图中)、甲烷八叠球菌(图右)这样的古生菌如何生长和分裂的,从而阐明复杂细胞的进化历程

(神秘的地球uux.cn报道)据新浪科技(叶倾城):国外媒体报道,随着科学家对神秘古生菌了解的越来越多,他们正在寻找有关构成人类、植物等复杂生命细胞的进化线索。2019年8月,美国威斯康辛大学进化生物学家大卫·鲍姆曾翻阅了一本预印本,能够与人类的远亲“面对面接触”,或者确切地说是“面对细胞”

这个远亲是古生菌,它是一种生活在极端环境的超微生物,通常生活在深海喷口和酸性湖泊,古生菌外形类似于细菌,在bioRxiv发布的一份预印本描述了古生菌长着像触须状的突起,从而使古生菌看上去像附了几缕意大利面的肉丸。

鲍姆曾花很多时间想象人类的远古祖先会是什么样,事实上古生菌就是人类完美的“分身”,尽管两者的外形相差悬殊。

古生菌不仅是在极端环境中茁壮成长的怪异生命形式,事实证明,它们分布非常广泛,此外,更重要的是,它们可能是理解地球上复杂生命如何进化形成的关键环节。许多科学家猜测,古生菌可能导致真核生物种群的崛起,变形虫、菌菇、植物和人类就是由真核生物演变而来的,同时,部分科学家认为,真核生物和古生菌也有可能是由一些更遥远的共同祖先物种进化产生。

真核细胞是具有复杂内部特征的宫殿结构,其内部包括容纳遗传物质的细胞核,以及产生能量和构建蛋白质的独立隔膜,一种关于它们进化演变的主流理论认为,它们起源于古生菌,在进化历程中可能与另一种微生物结合。

但是研究人员在探索该观点时遇到了困难,部分原因是古生菌很难在实验室中生长和研究,古生菌受到的关注如此之少,以至于它们的基本生活方式,例如:它们是如何生长和分裂的,在很大程度上仍是一个未解谜团。

古生菌研究仅是被赋予生命的“宠物理论”?

目前,研究人员可能比以往任何时候更接近一个貌似有理的进化答案,由于人们对这些经常被忽视的微生物的兴趣不断增大,以及在实验室不断发明处理古生菌的方法,细胞生物学家正在比以前更详细地观察它们。澳大利亚悉尼科技大学分子微生物学家伊恩·达金说:“在过去十年里,关于这种神秘微生物种群的发布的研究报告几乎增长一倍,而且对古生菌的生物学初步研究成果是非常令人兴奋的。”

目前,鲍姆发布在《自然》杂志的图像提出了一个新观点,即鲍姆辛苦培育12年的古生菌,可能与真核生物的出现密切相关。来自世界各地的微生物学家都为这些图像感到兴奋,但对鲍姆而言,这仅是一个被赋予生命的“宠物理论”。

5年前,鲍姆和他的堂弟、英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室细胞生物学家巴斯·鲍姆发表了一项关于真核生物起源的假说理论,他们预测称,真核生物的祖先可能长有突起物,这很像古生菌的外形。他们推断这些突起物环绕在附近的细菌周围,之后它们转变成为真核细胞的一个显著特征:菱形的能量制造器,即线粒体。

当大卫·鲍姆盯着这些像意大利面条一样古生菌时,回想5年前与堂弟提出的真核生物起源假说理论,突然恍然大悟,认为之前的假说理论似乎是有道理的。

基本的奥秘

如果真核生物真的是一种增强版的古生菌,那么科学家必须了解古生菌,才能弄清楚更复杂的细胞是如何形成的。虽然研究真核生物和古生菌的科学家已花费几十年时间深入观察研究细胞分裂和生长等过程,但古生菌的内部工作原理在很大程度上仍是个未解谜团。德国弗莱堡大学分子微生物学家索尼娅·阿尔伯斯说:“古生菌的每次活动方式都不一样,例如:相关的蛋白质可能在不同的生物体中起到不同的作用,这使得古生菌变得很有意思。”

从土壤到海洋,所有存活的生物细胞都有一个共同点,那就是它们通过分裂来制造更多的自身,该现象发生在地球上所有以细胞为基础的生命共同祖先上,但随着生物适应了它们的生态龛位,这个过程开始变得有所不同。

研究人员可以通过观察这种差异来探索生物进化过程,所有细胞生命形式所共有的任何机制都指向最早期细胞的生物遗传性,相比之下,只有古生菌和真核生物,或者只有细菌和真核生物共有的系统,暗示着真核生物各种成分是由哪个母体提供的。例如:将真核细胞从外界环境中分离出来的柔性膜就非常类似细菌结构。

达金研究的是一种叫做富盐菌(Haloferax volcanii)的细胞分裂过程,该细菌喜欢咸水环境,例如:死海,而不是火山。事实上,富盐菌的命名是以微生物学家本杰明·埃拉扎里·波尔卡尼(Benjamin Elazari Volcani)的名字命名的。作为一种嗜极生物,富盐菌在咸水环境中很容易生长,在显微镜下很容易看到处于分裂状态的扁平细胞组织。

尽管体形较大的富盐菌与细菌、真核生物和古生菌存在着巨大差异,但它们确实有一些相同的细胞分裂系统,在细菌体中,有一种名为FtsZ的蛋白质,在未来细胞分裂部位形成一个环状结构。同样,达金和同事在富盐菌中也观察到同样的情况,因此,他们认为FtsZ蛋白质似乎处于细胞进化树底部。

目前,科学家通过研究古生菌,也揭示了其他古老蛋白质的神秘面纱,其中包括一种叫做SepF的蛋白质,德国弗莱堡大学分子微生物学家索尼娅的研究小组发现,SepF是富盐菌分裂所必需的蛋白质,巴黎巴斯德研究所的进化生物学家尼卡·彭德称,SepF和FtsZ蛋白质,可能都是细胞分裂的原始“最小系统”一部分,通过分析这两种蛋白质编码基因在多种微生物中的分布情况,可将所有活细胞追溯至最早的共同祖先。

然而,在生物进化的某个阶段,一些古生菌将细胞分裂的工作分配给一组不同的蛋白质,这就是巴斯·鲍姆最新研究的切入点。他带领研究团队一直在研究一种叫做嗜酸热硫化叶菌(Sulfolobus acidocaldarius)的古生菌,它与名字非常相符,它非常喜欢酸和热,实验室研究人员戴着园艺手套,从而保护自己免受嗜热硫化叶菌生活的酸性液体带来的伤害,实验室成员戴着园艺手套,从而保护自己免遭酸性液体的伤害,他们在实验室建造了一个特殊的隔间,便于在没有冷点或者蒸发情况下,使用显微镜下观察它的分裂过程。

鲍姆的研究小组观察到一组完全不同的蛋白质操控分裂环,他们首次在真核生物中发现这些蛋白质,它们不仅参与分裂,还有更广泛的作用,能将细胞的细胞膜分离,形成被细胞膜包裹的囊泡,以及其他较小的细胞区域。这些蛋白质被称为“核内体运输排序复体蛋白质(ESCRTs)”,研究小组在嗜酸热硫化叶菌中发现与管理分裂环的通用型钳子的相关原始蛋白质,这表明早期ESCRTs蛋白质在真核生物的古生菌祖先中完成进化。

与此同时,FtsZ蛋白质进化成了真核微管蛋白质,为我们人类细胞提供结构支持,这些发现表明,真核生物的原始祖先可能拥有一套工具来塑造和分裂细胞,然后自然选择适应更复杂的后代细胞的需要。

洞察真核生物的远古祖先

但是古生菌的祖先是什么类型的细胞呢?它是如何与它的细菌伙伴相遇并融合的?

1967年,生物学家林恩·马古利斯首次提出一个观点,即真核生物是由细胞吞噬其他细胞而产生的。大多数研究人员同意发生过细胞吞噬事件,但他们对吞噬发生的时间和真核生物内部隔间是如何形成的有不同的观点。德国海因里希·海涅大学进化细胞生物学家斯文·古尔德说:“之前几十个测试模型都已夭折,因为它们的可靠度很低。”目前,随着细菌生物学家对古生菌的理解逐渐加深,其他理论可能会兴起或者衰落。

许多模型假设在细胞最终演变成真核生物之前已经相当复杂,拥有柔性细胞膜和内部隔间,这些理论要求细胞发展出一种吞噬外部物质的方法,该过程被称为细胞吞噬作用。这样细胞就能在一次致命咬食中迅速吞噬途经的细菌,相比之下,古尔德和其他人认为线粒体是在早期获得的,它们随后帮助更大、更复杂的细胞提供燃料。

这是解释线粒体如何在没有细胞吞噬作用情况下产生的少量模型之一,1984年,大卫·鲍姆在英国牛津大学读本科时首次产生这个想法,他的研究过程从古生菌和细菌聚集在一起,共享资源开始,古生菌可能会开始伸展和膨胀其外部细胞膜,从而增加用于养分交换的表面积。随着时间不断推移,这些膨胀可能在古生菌周围扩散和生长,直到古生菌或多或少地进入古生菌体内。

同时,古生菌的原始外膜与周围延伸的较长触须相比,显得相形见绌,逐渐被弱化,当一些特别长的触须环绕在细胞产生的新外膜将逐渐形成新细胞核边界,与古生菌的祖先相比,它显著被膨胀扩大。这一过程不同于细胞吞噬作用,因为它从一个生物体群落开始,并在很长一段时间内发生,而不是“简单地咬一口”。

鲍姆的导师告诉他这个想法很有创意,但缺乏相关证据,便暂时未重视。但是鲍姆的兴趣仍未被扑灭,大卫·鲍姆随后对堂弟巴斯·鲍姆分享了他对生命科学的热爱,他回忆称,这也是我选择生物学专业的部分原因。

2003年,大卫·鲍姆决定将关于古生菌的理论记录下来,他对堂弟巴斯写了一封信,当时巴斯管理着自己的实验室,在巴斯的帮助下,大卫·鲍姆进一步发展了该理论。他们定义了生物学的几个方面来支持自己的观点,例如:发现古生菌和细菌共存并交换营养物质的事实。这对兄弟努力想要发表该研究报告,最终直到2014年才发表在《英国医学委员会生物学》杂志上。

大卫·鲍姆回忆称,该研究报告发表之后很快获得科学界的热烈响应,尤其是来自细胞生物学家的响应,到2014年,大卫·鲍姆仍然认为他们仅有50%的概率是正确的。然而5年之后,像附了几缕意大利面的肉丸的古生菌图像出现了,鲍姆兄弟感到兴奋激动。

这是首次从阿斯加德古菌(Asgard archaea)中培育出来的古生菌,2015年曾对该生物进行了描述,其基因编码的蛋白质被许多科学家认为与真核生物非常相似,研究人员很快开始怀疑真核生物的远古祖先类似于阿斯加德古菌,通过指向一个潜在的祖先物种,这项发现支持鲍姆兄弟的假设理论。

这种阿斯加德古菌还没有最终进行科学命名,目前被暂定称为“Prometheoarchaeum syntrophicum”,它是在生物反应器中生长的,放在一对微生物架上,喂食营养物质。值得注意的是,这种古生菌没有任何复杂的内部细胞膜或者发生细胞吞噬作用的迹象。它有3个关联细胞分裂的系统:相当于FtsZ蛋白质作用的蛋白质、核内体运输排序复体蛋白质(ESCRTs)和负责肌肉收缩的肌动蛋白,肌动蛋白也有助于真核生物发生分裂,研究小组成员日本东京国家先进工业科学技术研究所微生物学家Masaru Nobu称,我们还没有弄清楚这种古生菌是通过哪一种方式进行自我分裂的。

当该古生菌细胞停止分裂并长出触须时,研究人员感到非常惊讶,鲍姆兄弟认为,这可能会放大与古生菌共培养的微生物之间的营养交换,正如他们对这种祖先级细胞模型预测的那样。

依据他们的观察,Masaru Nobu和同事们设计了一个关于真核生物如何进化的理论,该理论与鲍姆兄弟的观点有很多相似之处。该理论提出一种能延伸出细丝的微生物,它最终可以吞噬自己的伙伴。Masaru Nobu说:“我非常喜欢这种假设,因为它考虑到了真核生物特有的这些复杂性——细胞核和线粒体。”

培养信心

阿斯加德古菌的图像确实帮助并支持了鲍姆兄弟的理论,进化微生物学家、阿斯加德古菌的共同发现者安雅·斯潘说:“它们能形成这些突起是非常令人兴奋的,这一切都是有密切关联的,因为如果一个祖先物种可以形成这样的突出物,它就可以使古生菌和细菌的联合体变得更加紧密。”

目前鲍姆兄弟评估他们的理论正确率达到80%,但他们并不是唯一有信心的人,英国医学研究委员会生物化学家拉马努金·赫格德从事多年研究细胞膜蛋白,他正在编写即将出版的第七版《细胞分子生物学》教材,他和同事决定将鲍姆兄弟提出的假说理论取代当前版本中基于细胞吞噬作用的理论模型,当然该理论仍没有相关证据,赫格德谨慎地使用“可能有”等不确定的术语。

事实上,包括古尔德在内的其他一些专家认为,鲍姆兄弟的理论模型并没有完全解释这些膜突是如何进化成薄膜的,在细胞周围闭合形成一个完整的外边界或者获得细胞膜的特征。为了解释这种类似细菌的细胞膜结构,古尔德和同事基于独立生存细菌和线粒体定期释放囊泡的事实,研究开发了一个模型。2016年,他们提出,原真核生物首先获得了线粒体(他们的理论并未具体说明是如何获得的),线粒体渗出囊泡进入细胞中。这些囊泡为进化中的真核生物构建其内部结构和外部边界提供了膜材料,古尔德称,这可以解释为什么真核生物的细胞膜为什么看起来像细菌。

随着研究人员继续培育和研究古生菌,这些最新提出的理论模型和其他相互竞争的模型要么获得支持,要么被彻底推翻,目前科学家在实验室成功培育几十种微生物。巴斯·鲍姆和他的合作者正在研究古生菌的共生关系,并分析微生物系谱,从而进一步验证他们的想法,Masaru Nobu和同事正在对这些触须状突起进行更详细的研究,并研究其他的阿斯加德古生菌。

也许还有更多的证据亟待发现,例如:鲍姆兄弟预测真核生物的触须膜还没有完全与外部细胞膜断开,这与他们理论中的中间体相对应。这似乎是极可能存在的,暗示着人类的生存归功于古生菌和细菌之间一段古老的“爱情故事”,巴斯·鲍姆说:“人体的一部分源自远古细菌,一部分源自古生菌,还有一部分是不断进化的结果。”




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