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题目：Actin cytoskeleton and complex cell architecture in an Asgard archaeon
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2022年12月21日
通讯作者单位：苏黎世联邦理工学院
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y
主要内容：
一种被认为是我们的细胞祖先的亲戚的微生物已经在实验室中成功生长。它的内部结构为真核细胞的早期进化提供了线索。
动物、植物和真菌的含核细胞被称为真核细胞，在进化过程中通过两种类型的微生物--古细菌和细菌--的细胞合并而产生，这一过程被称为真核发生。这到底是如何发生的仍然是个谜。从一组被称为阿斯加德古菌的微生物中发现的DNA序列显示，它们是与参与真核生成的古菌系有关的最佳候选者。然而，事实证明，阿斯加德古菌在实验室中很难生长。Rodrigues-Oliviera等人在《自然》杂志上撰文，报告了阿斯加德生物体Lokiarchaeum ossiferum的成功培养，这是迄今为止在实验室中培养的第二种生物。Prometheoarchaeum syntrophicum是第一个，但这些古细菌的细胞内组织的某些细节无法确定。
Rodrigues-Oliviera及其同事报告的细胞有许多表面突起和收缩（图1），这是可以说是最有说服力的真核发生理论所预测的，该理论被称为由内向外模型，它提出真核发生是通过古菌细胞的细胞膜吞噬细菌而发生的。Rodrigues-Oliviera等人利用电子显微镜对细胞内直接分析的大分子进行原子结构测定，在富含这些阿斯加德古菌的培养物样本中确定了Lokiarchaeum ossiferum。
作者还看到了细胞内的蛋白丝，它们与真核生物内部结构的关键F-肌动蛋白丝非常相似，称为细胞骨架。尽管人们曾预测，阿斯加德古菌将包含比细菌和其他古菌更复杂的细胞骨架，但看到细胞中的这些细丝仍然是基因组学、艰苦的微生物学和使用低温电子断层扫描（cryo-ET）成像的结构细胞生物学领域的进步所带来的一个胜利。对真核生物的理解可能并不像人们曾经认为的那样遥远。
从较简单的形式演变出复杂的生命是生物学的一个重要特征。真核生物是地球上最复杂的多细胞生物体。它们的细胞包含一个充满DNA的细胞核，提供能量的细胞器，如线粒体，一个包括内质网的细胞内膜网络和一个复杂的细胞骨架，其核心是由蛋白质肌动蛋白和管蛋白组成的丝。线粒体的起源已被追溯到一组称为高蛋白细菌的细菌。使用系统发育方法的分析显示，占用字母蛋白细菌的细胞是古细菌的起源。
七年前才发现的阿斯加德古菌揭示了在DNA序列上与真核生物关系最密切的非真核生物体。事实上，这种关系如此密切，以至于我们不能排除真核生物直接从阿斯加德系之一出现的可能性。或者，换句话说，生命之树可能只有两个分支，即细菌和古细菌7--而我们人类只是古细菌分支上的一根树枝。
阿斯加德古菌拥有许多真核生物特征蛋白（ESPs），这些蛋白几乎只在真核生物中发现，而且往往与真核生物的独特过程有关，如细胞内贩运--货物在膜结合区间的移动，这就反映了这种密切关系。例如，许多阿斯加德生物体含有参与真核细胞内贩运的ESCRT机制的类似真核细胞的成分，以及真核细胞内降解蛋白质的泛素系统的成分。大多数阿斯加德古菌还含有细胞骨架蛋白，如肌动蛋白和肌动蛋白调节剂，它们与真核生物中驱动细胞动力学的蛋白相似。尽管细菌和非阿斯加德古菌也含有细胞骨架，但这些细胞骨架与真核细胞骨架的关系更为疏远，其调节剂也不同。
在使用元基因组学方法发现了Lokiarchaeota（第一个已知的阿斯加德古菌）之后，又发现了许多阿斯加德古菌。令人惊讶的是，这些生物居住的生态位既不极端也不罕见，而且鉴于它们基本上无处不在，它们可能会更早被发现。我们只是不知道它们的存在，因为它们数量不多，不与疾病有关，而且一般生长缓慢。看来它们在其他方面没有什么优势。
过了很多年才培养出第一批阿斯加德生物体。Prometheoarchaeum syntrophicum与其他原核生物（即其他缺乏细胞核的细菌和古细菌）在一个系统中共同生长，提供共享的营养和其他潜在利益（合成）。成像显示细胞有膜封闭的突起，以支持由内向外的理论，但不可能确定其他方面。
Rodrigues-Oliviera等人着手改变这种情况。从含有大约4%阿斯加德古菌的沉积物样本开始，作者尝试了一系列条件来富集和培养这些生物体。使用营养物质、抗生素和缺氧（厌氧）条件的最低限度的培养基，作者最终将L. ossiferum培养到80%的富集度（也就是说，它代表了现有生物体的80%）。这些被认为是 "快速 "的阿斯加德--然而它们缓慢的生成时间（7-14天）表明了研究人员遇到的困难。值得注意的是，L. ossiferum还与其他物种（其中一些是细菌）合成生长。
有了富集的培养物，就可以对L. ossiferum的大约600万个碱基的基因组进行高标准的测序。这一点至关重要，因为就在几年前，阿斯加德生物体的存在受到了质疑，因为当时可用于测序的元基因组学方法没有发现它们的证据。现在不可能再有这样的怀疑了。
作者随后检查了L. ossiferum的细胞。这些细胞对于大多数光镜方法来说太小了，因此Rodrigues-Oliviera及其同事转向了低温ET，以3-5纳米的分子分辨率制作细胞的三维图。但是，在一个不完全是一个物种的样本中，如何能确定要看哪些细胞？这就是这项工作变得特别巧妙的地方。作者解决了一个大型细胞组件--核糖体的结构，以确定哪些细胞是阿斯加德，因为它们的核糖体RNA的片段提供了一个标志。这是对视觉蛋白质组学概念的美好运用，正如近二十年前所设想的那样。
L. ossiferum的结构图揭示了许多特征，这些特征将使科学家们忙碌起来。细胞膜有许多突起，并没有被细胞壁或任何有序的表面层结构所加强，其表面是粗糙的，很可能是因为有蛋白质伸出来。DNA被限制在细胞体中（它不在突起中），正如由内向外的模型所预测的。而华丽的地图使观众能够看到许多丝状物，在细胞体和突起中都有（图1）。利用低温ET和一种平均方法，作者可以在细丝中识别出一种双螺旋结构，这种结构与真核生物F-肌动蛋白细丝中的排列方式惊人地相似。
第二个成像的阿斯加德生物体也有表面突起，这一发现支持了由内向外的真核发育理论。L. ossiferum中F-actin丝的定位可能表明该丝具有塑造膜的作用，尽管这需要证实。
没有发现细胞内膜，考虑到与细胞内膜贩运有关的ESPs的存在，如GTP酶、Sec24和ESCRT蛋白，这一点令人惊讶。人们可以推测，这些ESPs反而参与了进入和离开Asgard细胞的囊泡运输。这种运输可能需要在L. ossiferum细胞之间，也需要在它们和它们的合成伙伴之间，正如内向外模型所预测的那样。这些蛋白也可能在局部调控膜，以实现突起。
合成物的发现可能表明阿斯加德生物喜欢或需要一种 "社会 "生活方式。它表明，细胞合并事件可能是频繁的。例如，可能会发现合并的细胞与导致真核生物的细胞不同--我们可能只需要更努力地寻找。摆在面前的还有建立具有遗传和成像潜力的阿斯加德模式生物体。与此同时，我们应该惊叹于一个被发现的新世界的美丽。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05550-y
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