真核細胞早期進化時間表揭曉

2020-11-10 上海卡替生物技術

通過分析數千個基因的重複，研究人員重建了導致真核細胞產生的進化事件，這些細胞是你肉眼所能看到的幾乎所有生命的前兆。從簡單的細菌細胞到複雜的真核細胞的進化時間表與以前所認為的不同。這項研究是由巴塞隆納IRB和烏得勒支大學的比較基因組實驗室合作完成的，發表在近期的《自然生態與進化》雜誌上。

真核細胞早期進化時間表揭曉

生命進化中最重要和最令人費解的事件之一就是複雜的真核細胞結構體系第一次是如何形成的。幾乎所有肉眼所能感知到的生命形式，如藻類、植物、動物和真菌，都是由稱為「真核生物」的複雜細胞組成的。生物醫學研究所(IRB巴塞隆納)和巴塞隆納超級計算中心(BSC-CNS)的ICREA研究員Toni Gabaldón和烏得勒支大學的Berend Snel的小組之間的一項合作研究得出結論，第一個包含線粒體的細胞(被認為是增加真核細胞複雜性的關鍵一步)已經呈現出真核生物的複雜性--類似於結構和功能的複雜性。這個場景在一些考古學基因組中觀察到的複雜性跡象和線粒體在觸發真核細胞發生中的作用之間起到了橋梁作用。

「線粒體的獲取被認為是真核細胞複雜性發展的關鍵的第一步或最後一步，」Gabaldón解釋說，「我們的發現表明，這確實是一個至關重要的事件，但它發生在細胞複雜性已經增加的情況下。」

複雜性是生命多樣性的前奏

在地球生命歷史的前半部分，唯一的生命形式是相對簡單的細菌細胞。第一作者JulianVosseberg解釋說：「真核細胞更大，含有更多的DNA，並且由每個部分組成，每個部分都有各自的任務。從這個意義上說，你可以把細菌細胞比作帳篷，而真核細胞則更像是有幾個房間的房子。」

生物體如何以及何時用帳篷換房子仍然是個謎，因為沒有中間形式。進化的一個重要時刻是線粒體的起源，線粒體是真核細胞的組成部分，作為它們的「發電站」。線粒體曾經是自由活的細菌，但在進化過程中，它們被今天真核細胞的祖先所吸收。研究人員試圖如基因複製那樣，在這些遺傳變化的基礎上重建進化事件，這可能是導致細胞複雜性增加的原因之一。

進化路徑重建的生物信息學

「我們可以利用當代物種的DNA來重建進化事件。我們的基因是在漫長的進化過程中形成的。它們在那一段時間裡發生了巨大的變化，但它們仍然與遙遠的過去相呼應。」Vosseberg補充道：「我們可以從各種有機體獲得大量的遺傳物質，我們可以使用計算機來重建數千個基因的進化，包括古老的基因複製。這些重建使我們能夠發現重要中間步驟的時間。」

來自烏得勒支大學的共同作者BerendSnel說：「科學家們沒有這些事件的時間表，但是現在我們已經成功地重建了一個粗略的時間表。」為了實現這一目標，研究人員採用了Gabaldon's實驗室開發的現有方法來創建一個新的協議，從而產生了新的見解。這表明，許多複雜的細胞機器甚至在與線粒體共生之前就已經進化，包括細胞和細胞骨架內部運輸的發展。Snel說：「共生並不是其他一切的催化劑。我們在更早的時候觀察到了基因複製的高峰，這表明細胞的複雜性在那一刻之前就已經增加了。」

Gabaldón說：「我們的研究表明，獲得線粒體內共生體的祖先宿主在動態細胞骨架和膜販運方面已經發展出了一些複雜性。」這可能有利於與包括線粒體祖先在內的其他微生物建立共生關係，最終形成整合。

更多信息：Nature Ecology & Evolution (2020). DOI: 10.1038/s41559-020-01320-z

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