Cell | 刷新已知真核细胞复制和运动的最高温度记录：嗜热阿米巴的发现与耐热机制

温度直接影响蛋白质稳定性、膜流动性、酶活性、代谢速率以及细胞内各种生化反应，因此一直被认为是限制生命存在范围的重要物理因素【1，2】。对于原核生物而言，生命高温极限已经研究得相对充分。例如一些古菌可以在超过100°C的环境中生长，目前已知最高的细胞生长温度可以达到122°C【3，4】。但真核生物明显不同。真核细胞具有细胞核、线粒体等膜性细胞器、更复杂的蛋白质组、复杂的细胞骨架和膜运输系统。这些结构理论上可能使真核细胞对高温更加敏感。此前普遍认为的真核生物最高生长温度约为 60°C，主要来自少数真菌和红藻【5-8】。甚至有人提出，大约62°C可能是由于细胞器膜稳定性而形成的真核生命上限。

近日，来自美国锡拉丘兹大学的Angela M. Oliverio领导的课题组在Cell上发表了研究论文A geothermal amoeba sets a new upper temperature limit for eukaryotes。本研究发现了一种能在 63°C完成细胞复制的新型嗜热阿米巴，这一发现重新定义了真核生命的高温极限，并揭示了复杂真核细胞能够在极端高温下维持复制和功能所需的多层次适应机制。

过去研究高温环境主要集中在细菌和古菌，而高温环境中的真核多样性严重不足。因此作者首先从天然地热生态系统入手，希望直接寻找此前没有被培养出来的嗜热真核生物。作者在美国加州 Lassen Volcanic National Park（拉森火山国家公园）一条温度约 49–65°C、pH约6–7的地热溪流中连续采样3年。在20个采样位置中，有14个位置能够培养出同一种阿米巴。阿米巴（amoeba）是一类单细胞真核生物，它们最典型的特点是没有固定形状，而是通过伸出伪足（pseudopodia）来移动和吞噬食物。很多阿米巴以细菌或其他微生物为食，因此常见于土壤、淡水、沉积物以及各种潮湿环境中。值得注意的是，作者没有使用传统的单一细菌作为食物，而是加入小麦颗粒促进样品中天然细菌群落生长，再利用这些细菌群落富集捕食性阿米巴。这类阿米巴甚至能在63°C条件下持续培养。

通过基因组测序和系统发育分析，作者发现这是一种属于变形虫门（Amoebozoa）中的Tubulinea，并位于Echinamoebida分支，与Vermamoeba vermiformis关系最近。但是它与V. vermiformis的18S核糖体RNA 序列一致性只有约94%，明显超过同属物种通常的遗传距离。结合系统发育距离、形态差异、生态位差异和极端不同的温度适应范围，作者将其定义为一个新属新种Incendiamoeba cascadensis。进一步分析其他公开的环境宏基因组，作者发现在多处地热环境中发现了相近序列，而这些序列几乎只出现在地热环境中，因此作者认为Incendiamoeba 可能是一类专门适应高温生态位的真核生物，而不是普通阿米巴偶然进入高温环境。I. cascadensis主要存在两种形态：细长的蠕虫样状态和具有伪足的阿米巴状态，它能够快速在两种形态之间切换，并主动捕食丝状嗜热细菌。培养物中最丰富的细菌之一是Meiothermus ruber，其生长温度可以达到70°C，因此高温下食物本身并不是限制阿米巴生长的主要因素。

接下来，作者继续探究I. cascadensis在高温条件下是否能完成完整的细胞周期、保持代谢活动和生存。结果发现，I. cascadensis的最低生长温度约42°C，最适生长温度约55–57°C，最高可以在63°C完成细胞复制，在64°C以上不再持续增殖。63°C条件下，作者能观察到有丝分裂和纺锤体结构，这表明63°C是真正的细胞复制温度，而不是单纯存活。在细胞运动层面，作者发现57°C时运动速度最高，在55–64°C范围内运动最活跃，即使到 64°C细胞仍然可以维持明显的主动运动。这说明细胞已经不能在64°C持续复制，但部分细胞功能仍然可以继续维持。当温度继续升高时，细胞开始形成包囊，66°C时细胞开始明显变圆，70°C短时间处理后会形成包囊，再降低到60°C后，部分细胞可以恢复，但80°C处理后则不能恢复。这些结果表明，I. cascadensis能够在63°C完成真核细胞复制，在64°C仍维持主动运动，并能够通过包囊短期耐受70°C，这直接刷新了已知真核细胞复制和运动的最高温度记录。

文章的最后，作者继续研究一个具有细胞核、细胞器和复杂蛋白质组的真核细胞，为什么能够在如此高的温度下保持功能？作者比较I. cascadensis与多种其他阿米巴基因组后发现，超过一半预测基因属于I. cascadensis特有的orthogroups，提示其拥有大量谱系特异性的遗传创新。I. cascadensis中富集了很多与高温应激有关的系统，这些系统有助于维持蛋白质折叠、清除受损蛋白和保护基因组。随后作者比较48°C和61°C条件下的转录组，结果发现在61°C这种接近温度上限的条件下，细胞会上调蛋白质折叠和分子伴侣、增强泛素相关蛋白质质量控制、增强DNA修复、增强膜运输和 SNARE 相关囊泡运输，同时降低部分能量代谢和生物合成。说明在极端高温下，细胞会把资源更多用于维持结构和损伤修复，而不是快速生长。最后作者还发现，它的蛋白质本身也更耐热。与近缘的V. vermiformis相比，I. cascadensis蛋白质组的预测熔解温度更高，高温稳定蛋白数量更多，蛋白表面疏水残基减少并且正电荷和精氨酸增加。作者推测这些改变可能降低高温下蛋白质聚集和错误折叠的风险。

总的来说，这项研究发现了一种新的专性嗜热阿米巴Incendiamoeba cascadensis，它能够在 63°C完成细胞复制、约64°C保持主动运动，并通过形成包囊短期耐受更高温度，从而刷新了已知真核生命的高温极限。进一步分析表明，这种极端耐热能力与蛋白质本身更高的热稳定性、增强的蛋白质质量控制、DNA修复以及膜运输维护等多层次适应共同相关。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.08.043

参考文献

1. Clarke, A. (2014). The thermal limits to life on Earth. Int. J. Astrobiol. 13, 141–154.

2. Brock, T.D. (1967). Life at High Temperatures: Evolutionary, ecological, and biochemical significance of organisms living in hot springs is discussed.Science158, 1012–1019.

3. Takai, K., Nakamura, K., Toki, T., Tsunogai, U., Miyazaki, M., Miyazaki, J., Hirayama, H., Nakagawa, S., Nunoura, T., and Horikoshi, K. (2008). Cell proliferation at 122 degrees C and isotopically heavy CH4 production by a hyperthermophilic methanogen under high-pressure cultivation.Proc. Natl. Acad. Sci. USA105, 10949–10954.

4. Kashefi, K., Holmes, D.E., Reysenbach, A.-L., and Lovley, D.R. (2002). Use of Fe(III) as an Electron Acceptor To Recover Previously Uncultured Hyperthermophiles: Isolation and Characterization of Geothermobacterium ferrireducens gen. nov., sp. nov.Appl. Environ. Microbiol.68, 1735–1742.

5. Tansey, M.R., and Brock, T.D. (1972). The Upper Temperature Limit for Eukaryotic Organisms.Proc. Natl. Acad. Sci. USA69, 2426–2428.

6. Powell, A.J., Parchert, K.J., Bustamante, J.M., Ricken, J.B., Hutchinson, M.I., and Natvig, D.O. (2012). Thermophilic fungi in an aridland ecosystem.Mycologia104, 813–825.

7. Tansey, M.R. (1972). Effect of Temperature on Growth Rate and Development of the Thermophilic Fungus Chaetomium Thermophile.Mycologia64, 1290–1299.

8. Singh, S., Madlala, A.M., and Prior, B.A. (2003). Thermomyces lanuginosus: properties of strains and their hemicellulases.FEMS Microbiol. Rev.27, 3–16.