Nature:重磅!新研究推翻線粒體起源自α-變形桿菌

2020-11-27 生物谷

2018年4月29日/

生物谷

BIOON/---自20世紀70年代以來，當科學家們發現真核生物線粒體DNA和細菌基因組之間存在相似性時，他們就猜測這種細胞器起源於在較大的細胞中定居的內共生菌（endosymbiont）。一類被稱作α-變形桿菌綱（Alphaproteobacteria）的細菌很快就成為線粒體進化起源的一種可能的候選對象。但是，如今，一項新的研究提示著線粒體最多只能算是已知的α-變形桿菌綱

細菌

譜系的遠親，而並不像之前所認為的那樣是α-變形桿菌綱的後代。相關研究結果於2018年4月25日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Deep mitochondrial origin outside the sampled alphaproteobacteria」。

成纖維細胞，它們的線粒體用綠色表示。圖片來自Flickr, Dylan T Burnette, Jennifer Lippincott-Schwartz/NICHD


雖然人們普遍認為α-變形桿菌綱包含與線粒體具有最為緊密親緣關係的細菌物種，但是這種關係並沒有揭示出很多關於線粒體祖先是如何維持生存的或者它們如何經過跳躍後作為細胞器發揮作用的信息。這是因為α-變形桿菌綱從代謝類型來看是一個特別多樣化的有機體群體。一些人已提出線粒體與立克次氏體目（Rickettsiales）---立克次氏體目是α-變形桿菌綱的一個子分類，只能在宿主細胞內存活---存在著

遺傳

類似性，但是另外一些人也已提出獨立生存的SAR11

細菌

也是線粒體祖先的候選對象。

關於線粒體祖先位於α-變形桿菌家族樹何處的問題一直困擾著瑞典烏普薩拉大學進化生物學家Thijs Ettema。Ettema說，「如今，利用來自各種環境中的所有這些新的α-變形桿菌綱

細菌

譜系的數據，我們認為我們應該採取一種大膽的方法來觀察線粒體祖先到底位於何處。」

Ettema和他的同事在他們的分析中使用的大部分基因組數據來自Tara Oceans數據集，該數據集包括來自在不同深度的海水中採樣的微生物宏基因組序列。Ettema解釋道，「由於一些不太清楚的原因---海洋水域中的α-變形桿菌似乎極其豐富，並不僅是屬於α-變形桿菌綱的一種細菌物種---似乎是屬於α-變形桿菌綱的全部

細菌

物種。」

加拿大達爾豪斯大學進化生物學家Andrew Roger（未參與這項研究）說，「他們很好地開展他們的分析。」比如，這些研究人員解釋了這樣一個事實，即內共生菌的基因組隨著時間的推移會逐漸減少，而且它們可能會失去修復複製錯誤（即利用鹼基A或T替換另一個鹼基）的DNA修復酶。如果這種鹼基替換位於在不改變基因編碼的胺基酸序列的位點上，那麼它可能會繼續存在，因此線粒體或諸如立克次氏體之類的有機體的基因組隨著時間的推移會產生更多的富含AT的序列---這能夠讓它們看起來比實際上存在著更加密切的親緣關係。

這些研究人員採取的抵消這種偏差的措施是不僅要比較α-變形桿菌和線粒體的基因，還要比較它們產生的蛋白的胺基酸序列。事實上，他們發現線粒體和立克次氏體之間沒有密切的親緣關係，或者就此而言，也沒有發現線粒體與任何其他被採樣的α-變形桿菌之間存在著密切的親緣關係。他們在他們的論文中寫道，「相反，我們的分析表明線粒體是由所有採樣的α-變形桿菌發生分歧之前就已分叉開來的一種變形桿菌譜系進化而來的。」

英國諾丁漢大學進化生物學家James McInerney表示，「在讀完這篇論文時，我發現自己有很多問題，就像我在開始閱讀時一樣，可能差別僅在於不同的問題。」McInerney在2006年發表的一篇論文（

Molecular Biology and Evolution

, 1 January 2006, 23(1):74–85, doi:10.1093/molbev/msj009）中提出線粒體應與立克次氏體劃分在一起---他說，這一分析是基於α-變形桿菌的現有數據得出的，在當時這些數據的可靠性遠不如現在。儘管稱讚這些研究人員進行強有力的分析，但是他發現這項新研究的結果並不令人滿意。他說，在存在的問題當中，線粒體祖先的代謝類型是什麼---也就是說，它們如何獲得它們的能量？

Ettema本人也對這些結果感到不滿意。他的團隊計劃通過分析來自非海洋環境的樣品，繼續尋找失散已久的與線粒體存在親緣關係的物種。他承認，「它們可能已經滅絕，而且我們正在尋找的東西可能已不再存在。就我個人而言，我確信我們最終會找到更多的關於線粒體起源的信息。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：Joran Martijn, Julian Vosseberg, Lionel Guy et al. Deep mitochondrial origin outside the sampled alphaproteobacteria. Nature, Published online:25 April 2018, doi:10.1038/s41586-018-0059-5

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