厭氧衣原體基因裡藏著真核生物進化的秘密

2020-09-05 科技工作者


科學家正在採樣。

《科學進展》雜誌8月26日刊文稱，一個國際研究小組發現了一類新的衣原體——厭氧衣原體。它們生活在無氧的海床上，體內的產氫代謝基因使其能在無氧環境中生存。

研究人員發現，我們的單細胞祖先從20億年前的衣原體那裡繼承了這些產氫代謝基因，這對現代生命的進化至關重要。

現存生命可以分為真核生物（如動物、植物、真菌和變形蟲等）和原核生物（如細菌和古細菌等）兩大類。與相對簡單的原核細胞相比，真核細胞的細胞結構更複雜。

幾十年來，複雜真核細胞的進化問題一直困擾著科學家。現在普遍接受的假設是：兩種原核生物（一種古菌和一種細菌）在大約20億年前的缺氧環境中結合併共生在了一起，形成了真核細胞。

科學家認為這些微生物通過營養物質，在無氧環境中合作共生。雖然現在還不知道是什麼營養物質，但很多科學家認為可能是氫。

跟化石一樣，基因組裡藏著生物進化的線索。為了解開這個20億年前的謎題，科學家們從原核生物和真核生物的基因組入手，尋找在無氧富氫環境下與營養代謝有關的基因。

在細胞中，有個叫線粒體的「發電廠」，它用我們吸入的氧氣和吸收的糖來產能（有氧代謝），但有的線粒體在沒有氧氣的情況下，也可以通過產氫代謝來供能。

氫被認作是真核生物起源過程中的重要營養物質，科學家推測，20億年前，在共生的古細菌和細菌中，有一種是能產氫的，但目前還沒有直接的證據能夠證實。

在《科學進展》發表的這篇論文中，研究人員在海底新發現的厭氧衣原體中，意外發現了這些基因的來源。厭氧衣原體生活在沒有氧氣的環境中，它們有能產氫代謝的基因。

研究人員發現厭氧衣原體用於產氫代謝的基因與真核生物的非常相似。這有力地證明，遠古衣原體在真核生物的進化過程種貢獻了這些基因。

「這個研究首次發現了真核生物如何獲得產氫代謝基因的證據，基因的來源完全出乎我們的意料。」瑞典烏普薩拉大學博士後研究員Courtney Stairs說。

論文合著者，烏普薩拉大學的Jennah Dharamshi博士補充說：「我們的新發現證明，真核生物的基因組有一個嵌合進化史，不僅有源於古菌和線粒體的部分，有的還有源於衣原體。」

瓦赫寧根大學教授Thijs Ettema說：「了解真核生物的產氫代謝能力來源，對於深入了解二十億年前我們祖先的進化方式非常重要。」

Courtney Stairs補充道：「多年來我一直在思考，如果能找到真核生物產氫代謝能力的來源，我們就能清楚地了解真核生物的進化過程。但是，當發現這些基因源於衣原體時，又引出了更多的問題——真核生物是如何獲得這些基因的？我們知道微生物有『基因轉移』能力，能夠彼此分享基因。於是便可以通過建立每個基因的進化樹，找出它們的進化模式，進而找到這些轉移事件。仙宮古菌是當下與最初有共生關係的古菌親緣關係最近的菌，仙宮古菌在厭氧衣原體生活的海底也有發現。它們的共存使得基因在這些微生物祖先之間轉移成為可能。」

找到可以在無氧環境下生存的衣原體具有重要意義。現在所知的衣原體都生活在真核細胞內，常常被當作人或其它動物的病原體。

Jennah Dharamshi說：「衣原體能在真核細胞外的無氧條件下通過產氫代謝生存，這對以前的觀點提出了挑戰。我們的發現表明，衣原體很可能是海底生態系統中的重要組成部分，或許所有的衣原體都沒我們認為的那麼壞。」

編譯：攀汗 審稿：alone 責編：雷鑫宇

期刊來源：《科學進展》

期刊編號：2375-2548

原文連結：https://phys.org/news/2020-08-genes-chlamydiae-complex-life-oxygen.html

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