新研究为真核生物寻根

来源：中国科学报

张家伟（左）和董宏坡。研究团队供图

地球生命的存在形式有两个主流假说，即由细菌、古菌、真核生物组成的“三域学说”，以及由细菌、古菌-真核生物两大类组成的“二域学说”。

近年研究表明，真核生物可能起源于古菌中的“阿斯加德古菌”，这一发现支持了“二域学说”。然而，真核生物源于阿斯加德古菌的哪一支类群，一直存在争议。

此前的一项假说认为，真核生物起源于阿斯加德古菌海姆达尔纲内部，是霍德尔目的“姐妹”。

华东师范大学河口海岸全国重点实验室研究员董宏坡和侯立军团队联合深圳大学团队挑战了这一假说。研究团队将真核生物起源位置精确定位为阿斯加德古菌海姆达尔纲的姐妹类群，表明真核细胞的起源时间可能约在27.2亿年前，早于地球大氧气事件，为理解真核细胞形成机制提供了重要线索。日前，相关研究成果发表于《自然》。

含有“嵌合体”的古菌

研究团队以我国红树林湿地和河口盐沼湿地为“天然实验室”，通过整合新组装的223个高质量阿斯加德古菌基因组和美国国家生物技术信息中心数据库现存的基因组，构建了一个包含411个阿斯加德古菌基因组的数据集。基于该数据集，研究团队重新选取多套标志蛋白，结合系统基因组学方法，将真核生物定位于阿斯加德古菌海姆达尔纲之外。

但故事还未结束。“我们意识到，涅尔德古菌目是确定真核生物在古菌中进化地位的关键所在。”董宏坡告诉《中国科学报》。

由于含有较多的类真核蛋白，涅尔德古菌被认为属于阿斯加德古菌门，而系统发育分析却发现，该古菌目在古菌中的进化地位不稳定，当采用不同标志蛋白分析时，往往会被归于不同类群。更重要的是，当加入真核生物基因组构建发育进化树时，涅尔德古菌的位置变化显著影响真核生物的进化位置。

团队用逆向思维寻找解决思路，最终通过结合短读长序列回贴、基因组覆盖度分析、序列重叠群聚类和分类谱分析，发现涅尔德古菌基因组同时包含阿斯加德古菌及其姐妹超门TACK古菌的序列成分。涅尔德古菌基因组中有大约24%~60%的重叠群属于TACK古菌，而仅3%~35%的重叠群属于阿斯加德古菌。

董宏坡表示：“我们推断，当使用的标志蛋白更多分布在阿斯加德古菌序列中时，涅尔德古菌进入阿斯加德古菌门，反之，则进入TACK古菌超门。涅尔德古菌含有的嵌合体可能是致使前人将真核生物定位到阿斯加德古菌海姆达尔纲内部的原因。”

还原生命起源场景

“定位真核生物祖先在阿斯加德古菌门内部的分化节点十分重要，直接关乎真核生物细胞在地球上首次出现的时间，以及彼时古菌祖先的生活方式。”董宏坡说。

研究团队在阐明真核生物在阿斯加德古菌中的确切位置后，通过分子定年与祖先代谢重构方法，推断出阿斯加德古菌与真核生物的最后共同祖先（LAECA）出现于约27.2亿年前。分化时间早于大氧化事件，由此推测该祖先可能是一个使用氢气作为电子供体的厌氧产乙酸古菌。

经过抽丝剥茧，研究团队还原了近30亿年前真核生物的起源历程。

论文第一作者、华东师范大学2021级博士研究生张家伟介绍，真核生物祖先具有完整的古菌型伍德-隆达尔途径，为其依赖氢气进行化能自养生长提供了可能。该祖先基因组也编码了不完整的有氧呼吸链中的末端氧化酶，可能是通过水平基因转移从兼性好氧的共生菌中获取，并参与低氧条件下的解毒功能。更重要的是，LAECA包含多种对氧气非常敏感的参与细胞关键代谢途径的酶，它们最初可能在太古宙缺氧的深海环境中进行厌氧生长。

“这项研究支持了真核生物的氢起源假说，即真核生物起源于一个依赖氢气的古菌宿主与一个产氢细菌的融合。”董宏坡说。

在泥泞中寻找生命起源密码

2018年底，董宏坡进入华东师范大学河口海岸全国重点实验室，开展滨海湿地古菌生物多样性及其环境适应机制研究。彼时，董宏坡就带领团队开展阿斯加德古菌基因组的相关研究。

古菌在普通环境中丰度低、分布不均匀，寻找新的古菌类群难度极大。近年来，研究团队在我国红树林自然保护区及河口盐沼湿地开展了大量宏基因组测序工作，成功组装出许多新型古菌类群。

为获取关键样本，团队曾深夜冒险进入红树林，在蚊虫围攻和泥泞中艰难采样。在树林中迷路、在泥泞中跌倒，是他们的日常。“但一想到这些看似普通的淤泥里可能藏着生命起源密码，一切都值了。”张家伟说。

同时，华东师范大学河口海岸全国重点实验室的大型集群为研究的快速推进提供了强大的硬件支持和计算资源。

“认识真核细胞的形成机制，对理解生命演化规律、生物多样性、疾病机制乃至地外生命探索均具有深远影响。”董宏坡表示，团队下一步计划从滨海湿地资源库中寻找更多海姆达尔纲古菌基因组并富集纯化出这类古菌，对其开展生态功能、生理代谢特征等相关研究。（记者 江庆龄）