阿斯加德古菌揭示现代细胞骨架发展的新视角

生命是如何从简单的微生物细胞跃升到构成动物、植物和真菌的复杂结构细胞的？印度科学研究所（IISc）研究人员在The EMBO Journal上发表的一项新研究为这一深刻的进化之谜提供了新的见解。它揭示了细胞骨架，作为细胞的内部支架，可能是如何从古代微生物的更简单起源演变而来的。

细胞骨架是一个动态的蛋白质纤维网络，赋予现代真核细胞以形状，推动细胞的运动，帮助组织内部组件，并控制细胞分裂。

在人体和其他复杂生物中，这个网络由称为肌动蛋白的细长纤维、称为微管的较厚管状纤维以及形成复杂分子机器的中间纤维构成，这些机器由许多其他辅助蛋白支持。但细胞骨架蛋白本身的起源可以追溯到微生物世界的很久以前。

现代进化生物学指出，属于阿斯加德古菌的微生物是所有真核生物最接近的活亲属，这些微生物是在深海沉积物等极端环境中被发现的。这些古菌携带的蛋白质与现代真核生物细胞骨架中的蛋白质相似，暗示了现代细胞骨架网络进化的一个中间阶段。

在这项新研究中，印度科学学院的科学家与印度科学教育与研究学院（IISER Pune）、国家生物科学中心（NCBS）和国家科学教育与研究学院（NISER）的研究团队合作，重点研究了一种名为Odinarchaeota yellowstonii的阿斯加德物种，这个物种是以北欧神话中的神祇奥丁命名的，最初是在美国黄石公园中分离出来的。

他们研究了FtsZ家族的两种蛋白质FtsZ1和FtsZ2，这些蛋白质是微管蛋白的古老亲属，构成现代细胞微管的基本单元。

通过生化分析和冷冻电子显微镜，研究小组发现这两种蛋白质的行为截然不同。OdinFtsZ1形成弯曲的单丝状结构，就像细菌在细胞分裂时由FtsZ形成的环一样。OdinFtsZ2则组装成堆叠的螺旋环，呈现出管状的外观，这种结构可能与原始的微管样结构相似。

值得注意的是，这些蛋白质还以不同的方式锚定在细胞膜上，其中一种是通过螺旋尾直接锚定，另一种则是使用适配蛋白。这表明这些结构蛋白之间可能存在早期的“分工”，这预示着现代细胞骨架中出现的功能专门化。

现代细胞骨架的复杂性可能是通过基因重复、专门化和丝状系统之间的协作互动而产生的。研究结果显示，这一过程可能早在阿斯加德古菌中就已经开始了。这对双蛋白可能捕捉到了一个关键点，即简单的丝状结构多样化为多功能网络——这标志着向真核细胞复杂内部框架迈出的重要一步。

该团队现在旨在实验室中培养阿斯加德古菌类，以便进行直接的细胞生物学实验。观察这些蛋白质在活细胞中的表现，可能会带来前所未有的见解，了解早期细胞骨架系统的运作方式，以及它们是如何为复杂生命的出现奠定基础的。

“我们相信这些蛋白质保留了古老转变的一个快照，”印度科学学院生物化学系助理教授萨拉瓦南·帕拉尼说，他是该研究的通讯作者。

“它们连接了最简单的微生物丝和支撑所有高等生物的动态支架之间的历史线索。”