集智

我们的“祖先”是一个单一细胞,还是具备遗传多样性的细胞群体?| © quantamagazine

导语

细胞与线粒体的共生关系是怎样的?所有真核生物的共同祖先是单个细胞还是多个细胞?在过去的研究假设中,学者们通常将具有复杂结构的真核生物的起源谱系追溯到某个单一的原始细胞,但最新的研究可能给这些问题带来了别样的视角——所谓的“祖先”可能是由形色各异的细胞组成的细胞团。

编译:集智俱乐部翻译组

来源:quantamagazine

原题:

Researchers Rethink the Ancestry of Complex Cells

在大约45亿年前,我们的地球形成了。而且如果没估计错误的话,没过多久地球上就诞生了生命。生命诞生的具体细节我们知之甚少,因为想弄清楚其中的原委并没那么容易。不仅如此,想要弄清楚在一切生命出现后最初的几十亿年的光景中发生的事情也极为困难。

其中一个棘手的未解之谜就是真核细胞如何出现。真核细胞具备分工明确的内部分区、细胞器,并且这种细胞只存在于动物、植物、真菌和一些微生物,比如原生生物——在进化论的意义下,我们人类和他们还沾亲。早期的真核细胞并没有给我们留下化石线索(也基本上是不可能的)。研究者只能通过后代细胞的结构与分子细节和二者之前的进化关系去推测早期细胞的“真面目”。

西班牙巴塞罗那进化生物学研究所的博士后 Michelle Leger 认为:现在是对于进化研究的 “激动人心的时刻”。利用现代基因测序技术,科学家们可以读取不同生命的整个基因组数据;揭示微生物生命的种种细节;解开新物种和其他生物类群的面纱。在拥有如此大量的数据之后,研究者就能追溯生命的谱系。“我们在尝试利用多种手段去解决问题,这些方法让我们距离最早期的真核生物更进了一步。”

集智

图中的草履虫是单细胞原生微生物。它具备真核生物的标志:细胞核、线粒体以及其他细胞器。

近期相关研究可能的迹象表明,首批真核生物的形态可能跟科学家所预期的大相径庭。本月初,一个研究团队的研究结果表明:真核生物进化中的标志性事件——线粒体细胞器的发育——可能与理论所设想的完全不同。

与此同时,其他研究人员提出另一个观点:所有真核生物的最早“祖先”可能根本不是某一个细胞,而是一个迫切渴望能交换 DNA 的混合细胞群。这个差异非常微妙,但对于理解真核生物的进化以及他们多种多样的形态却至关重要。

真核生物的祖先:

从线粒体发展新理论说起

地球上最初的细胞是以原核细胞的形态出现的,但这些细胞不都一样。即便是在早期,它们就分成了俩支谱系:古细菌和细菌。古细菌可能是最早“繁荣兴旺”的原核生物,因为它们能在诸如热喷口和超盐水池等原始地球上常见的极端的环境中存活。而且,古细菌和细菌可能从一开始就分化开来,分别进化。因为年代久远,我们已经很难弄清楚这种分化是怎样以及如何产生的。

由于单细胞形式的生物想要以化石形态保存异常艰难,我们缺乏化石证据,以及这两个物种都存在水平的基因交换(同代间的基因交换,与亲代子代之间的遗传信息垂直传递相对应),这使得基因组历史分析工作极为复杂。

一些“不合群”的古细菌细胞从其他细胞中分离出来,构建了真核生物这个全新的生物分支。这就是我们所知的真核生物起源的故事了。

从根本上来说,我们自己就是一团非常奇怪的古细菌。

—— 波尔多大学和悉尼大学的生物学哲学家 Maureen O’Malley

集智

生物学哲学家 Maureen O’Malley 对真核生物的进化过程保持着开放的态度。她认为:基于已知的真核生物的多样性,这些生物的共同祖先“不可能是某个单一的细胞“。

找出真核生物的首位共同祖先(first eukaryotic common ancestor, FECA)会是一场艰难的斗争。比如说,这种细胞还没有形成细胞核。它没有能将糖类等分子转变为更益于代谢的能量形式的线粒体,它甚至没有微管——真核细胞中的一种骨架状的蛋白质结构,能够分割细胞内的空间,使得物质能更精准有效的运送到需要的地方。

没有人知道真核生物如何具有了这种别的生命形态所不具备的共有特征。根据上周的 Nature Microbiology 报到,由欧洲与美国研究院所组成的研究团队提出了一个进化生物学里程碑研究结果——线粒体发展的新理论。几十年以来研究者已经得知有一种细菌成为了古细菌的内部共生体,线粒体就来自这种细菌。但是研究者并不知道这个过程的具体细节。

论文题目:

Proposal of the reverse flow model for the origin of the eukaryotic cell based on comparative analyses of Asgard archaeal metabolism

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s41564-019-0406-9

荷兰皇家海洋研究所的微生物生态学家 Anja Spang、瑞典乌普萨拉大学研究基因组进化的微生物学家 Thijs Ettema 和他们的同事通过观察 Asgard 古细菌代谢能力得到了线索。Asgard 古细菌是几年前才被发现的一个总门,通常认为 Asgard 古细菌与真核生物最为接近。

因此科学家得出了结论,线粒体的诞生可能来源于古细菌与α-变形菌共生。蕴含着某些小分子的古细菌产生的代谢废物蕴含氢和氢离子,这些物质被细菌利用,从而菌孕育出了线粒体。(这个模式被称为逆向流动模型,因为根据以前的理论研究,是细菌承担了为古细菌提供氢的角色。)

集智

关于线粒体起源的新思考。通常认为线粒体是由原核细胞与一种古细菌的共生关系中进化而来,然而最新的研究表明,以前对这种“共生关系起源”的思考可能是错误的,并且其他细菌的遗传基因对线粒体的进化也起到了作用。

Spang 和 Ettema 在一封邮件中这样解释这件事情:“这样的关联对一些小有机质的生长更为有利”。一些在无氧条件下生存并代谢碳氢化合物的现代古菌就是依靠细菌来接受它们的电子。“真核生物的古细菌祖先可能就具备类似的相互作用”。

随着时间的推移,其他细菌基因的横向交换能为我所熟知的线粒体提供更多的功能。同时,古细菌的宿主和古细菌的共生菌之间也会发生基因交换,并且多余的基因会被遗弃,这使得原本分离的共生细胞结成了一个统一的真核细胞

研究人员认为尽管这一理论能够解释线粒体的起源,但并没解释其他重要的细胞器的起源。Spang 和 Ettema 写到:“按理说,一旦细胞核进化出来,我们就用真核细胞这个词。但目前我们并不清楚线粒体与细胞核二者出现的时间先后顺序。”他们认为如果古细菌在与α变形菌共生之前就具备了真核生物的特征,可能会对这种转变更有利。例如,肌动蛋白的纤维可以让宿主和共生体之间的结合更牢固,从而让二者间的代谢耦合的更好。

最近共同祖先:

单个细胞还是细胞族群?

总的来说,真核细胞的起源仍然蒙着一层神秘的面纱,这是因为现今世界上存活的真核生物都已经是非常复杂的有机体了。出于我们所不知道的原因,FECA 成为了所有真核生物的最近共同祖先(last eukaryotic common ancestor,LECA)

LECA 是其他一切仍然存活与已经灭绝的真核生物的祖先——甚至也包含我们尚未发现的物种。相比于 FECA,LECA 就比较容易琢磨了,因为它可能与现今存在的一些真核微生物类似。新斯科舍省达尔豪斯大学的分子生物学家 W. Ford Doolittle 说:“事实表明,所有有细胞核的生物都有线粒体、高尔基体和其他东西。可以说,LECA 已经是一个相当复杂的真核细胞了。”

实际上,LECA 的结构被认为是非常直观的 ,以至于有人认为它无聊透顶。新西兰奥克兰大学的分子进化学者 Anthony Poole 说:“压根就不会有人愿意劳神费力地去争论 LECA 的本质。”

不过,关于 LECA 的争论还是存在的,因为 LECA 通常被视为一个细胞,所有真核细胞生物的单一祖先。但 O'Malley 认为这是错误的——LECA 不可能是一个单一的细胞,她认为人们把谱系想象的太简单了,并混淆了血统(ancestry ,指群体层面)和祖先(ancestors,指个体层面)的区别。谱系学思想仅仅是把所有分化出来的谱系连回到单细胞谱系。

在 Nature Ecology & Evolution 的一篇论文中,O'Malley 和她的同事谈到了一个推断:如果 LECA 不是一个单一细胞,而是一个真真切切的具备遗传多样性细胞群体,那么这些细胞中的每一个细胞都不具备今天真核细胞的全部特征。

O'Malley 说:“我们所提到的 LECA,指的是一个祖先的群体,一个我们认为不是单个细胞的基因组。”

论文题目:

Concepts of the last eukaryotic common ancestor

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s41559-019-0796-3

论文的合著者 Leger 解释道:“致力于重建 LECA 的研究者如何看待 LECA?他们能否构想出一些遗传变异的假设去解释观测到的现象?我们这篇论文真正想做的只是探讨这两个问题。”

O'Malley,Leger 和他们的同事认为:如果要真正理解 LECA 并解码它的基因组,以此来更全面的理解真核生物,我们需要明白古老的种群是什么样子的。

泛基因组与LECA重建

诺丁汉大学的 Bill Wickstead 和他的同事们也在试图重建 LECA。他们致力于重建蛋白质组,即 LECA 可能制造的全部蛋白质集合,从不同的真核谱系中提取基因组和蛋白质组,并用统计学方法来确定哪些特征最有可能出现在他们的共同祖先中,哪些特征是独立进化出来的,而哪些又是在谱系中水平传递的(即基因来源于其他谱系)

诸如此类的分子生物学工作为揭开 LECA 的面纱带来了最大的希望。

Wickstead 认为,这个方法的关键在于祖先蛋白质组和基因组到底是存在于一个细胞中?还是分布在一群细胞中?不过这不影响该类项目的进程,这个工作是在做基因数据的统计推断,并不是追溯细胞分裂过程。

集智

西班牙巴塞罗那进化生物学研究所的博士后 Michelle Leger 认为:有了现代基因测序技术,使得探索生命早期历史的工作到了“激动人心的时刻”。

Wickstead 认为:“从 LECA 基因组的角度而言,一个细胞还是一群细胞并没什么区别。”也无非就是除基因复制以外还多了基因交换。

但是,正如 O'Malley 和 Wickstead 所指出的那样,这种区别并不仅仅是语言上咬文嚼字的问题。Wickstead 认为:从数据库中所重建的基因组是仅仅来自一个细胞还是分布于多个细胞中,这是一个对理解基因组作用至关重要的问题——这也就是遗传学和细胞生物学的区别。

他和他的同事们对重建 LECA 的基因组和蛋白质组最感兴趣,因为这样做就能了解 LECA 的生物学能力。“但这些是否都能存在于一细胞中,还是说,要避免彼此的冲突而打破它。”

“附属”基因与泛基因组

Leger 认同这一点,搞清楚 LECA 到底是一个细胞还是多个细胞有助于研究员更好的理解基因组数据。她表示:“如果你试图搞清楚当今的众多真核生物的共有特征,那么你会发现 LECA 的基因组得的大吓人,能编码出太多的蛋白质以至于无法正常工作。”而单一的真核生物是无法承担这样大的基因组的。

一个我们所熟悉的微生物——大肠杆菌,就出现了类似的问题。大肠杆菌是一个被分成许多遗传菌株的单一物种。如果你从多个大肠杆菌的菌株中提取基因组,很明显会发现不同的菌株有不同的基因——不仅仅是基因变体的不同,而是不同的细胞株存在或缺失一整套的基因家族。每种细菌都有一个基因组,其中大约包含 4200 到 5600 个基因。所有的大肠杆菌所共有基因大概是 2200到3100 个,其余的基因来自至少 89000 个可能的“ 附属”基因。

尽管这些基因对细菌的存活并非至关重要,但它们也确确实实的在诸多方面影响着细菌的生存。

成千上万附属基因的变异解释了为什么有些菌株有毒,而另一些没有;一些菌株可以在某种环境中生存、以某些食物为食,而另一些不能。

附属基因可以从一个菌株水平传递到另一个菌株,或者说品系,因此如果我们想要了解大肠杆菌这个生物的总体能力,我们需要获得一个物种基因变异的完整图景,或者就像研究者所说的——一个泛基因组(pan-genome),一个物种的泛基因组是它所有品系基因的总和。

集智

真核生物的复杂谱系,从数据库中所重建的基因组是仅仅来自一个细胞还是分布于多个细胞中,这是一个对理解基因组的作用至关重要的问题。

泛基因组这个概念诞生于 21 世纪初期,当时科学家们意识到病原菌的参考基因组序列(基因组标准化描述汇编的数字数据库)无法获取到生物体的全部遗传变异信息,结构简单的单细胞生物有着远超多细胞生物的变异速度和水平传递遗传信息的能力。所以从那时起,科学家们就意识到了泛基因组在原核生物中所起到的重要地位。但因为在真核生物中基因水平转移的情形并不多见,所以长期以来人们对真核生物的泛基因组这一概念理解的并不深刻。

这种观点正在慢慢转变。最近对四种在医学上重要的致病真菌的基因组进行分析后科学家发现:它们有泛基因组。它们基因组的 10-20% 是由附属基因组成。这些附属基因对真菌抗生素的抗药性起到了重要作用。

我们所提到的 LECA,我们可能指的是一个祖先的群体。并非单一细胞的基因组群体。

——波尔多大学 Maureen O'Mal

其实我们人类也有泛基因组。“当我们第一次对人类的基因组进行测序时,人们对此大为称赞——‘人类终于拥有了自己的生命蓝图!’,但实际上我们并没有”,Wickstead 这样说道。以近期的一个研究为例,910 名非洲后裔研究对象的基因中有 10% 不在人类参考基因组中。Wickstead 说:“基因组中缺失的基因是人类多样性的一部分,这会使人对药物、环境等等重要的事情做出不同的反应。”

如果原核生物中存在的泛基因组也存在于真核生物中,那我们以前认为真核生物没有泛基因组就显得错的离谱了。Wickstead 和其他科学家推测。他们当初试图重建的 LECA 基因组可能就是泛基因组。

这对康涅狄格州大学的进化生物学家 J. Peter Gogarten 来说是有意义的。对于他的研究来说,O'Malley、Leger 和同事的论文明确了这样一个观点:“为了能真正理解真核生物的起源,我们要构建能描述基因进化史的网络,而不是重建细胞进化树。”这已经是他提倡过一段时间的事情了,他不再把 LECA 视为一个单一的细胞,而是把它视为一个由不同的细胞组成的细胞群。通过这个思路,我们可能更好地穿过进化史的烟云,观察神秘的第一批真核生物。

尽管如此,Gogarten 还是对这个推测做出了一些限制:LECA 可能是一个细胞群,但他确信这不会是一个细胞数量众多,泛基因组多样庞杂的细胞群。物种数量更大、泛基因组更大、甚至是二者兼而有之的细胞群可能存在于 FECA 和 LECA 之间的过渡阶段。这也就是把祖先视为种群而不是个体能有助于我们理解真核生物的起源的原因。但 Gogarten 认为等到了 LECA 出现的阶段,事情已经稳定多了。

集智

新西兰奥克兰大学的分子进化学者 Anthony Poole 对 LECA 中存在大而多样的泛基因组(所有可能基因的基因池)这一观点持怀疑态度。

Poole 同意这一观点。他表示,大多数专家觉得 LECA 的重要特性并不能被泛基因组解释。“我们没有这样的模型‘能让你在两个细胞间公用一个核糖体’,这在理论上是不可能的。”

但随着科学家对早期细胞和他们在所处环境中的行为多样性有了深入的了解。对LECA 与泛基因组的关系研究可能会更进一步。这也就是为什么 Leger 认为要思考 LECA 是否可能是一个更大更庞杂的泛基因组。处理一些糖类物质的能力是新陈代谢的关键,可能分布在细胞群中被共享,而不是在每个细胞的个体内。这可能让这种微生物比其他的微生物能适应更多的环境。

Leger 表示,如果事实如此,这就有助于解释为什么真核生物基因的多样化速度如此之快。分布于不同环境中基因各异的 LECA 种群能分化出许多杂交能力强的半隔离亚种。这以情形促进了物种的多样化,就像今日在岛上定居的物种一样。

然而,其他人却怀疑 LECA 的泛基因组如此之大。跟原核生物相比,今天真核生物的泛基因组很小。由此,科学家们就怀疑 LECA 的泛基因组是否会比我们的还要大。Doolittle 说:“我认同物种有泛基因组,LECA 是物种,因此 LECA 也有泛基因组。但是要说 LECA 是遗传树上与其他生物都不同的物种,我觉得这没啥道理。它只不过是遗传树上最深的那个节点。”

进化推论的基石:

LECA 是一个群体

尽管 LECA 的泛基因组大小问题存在争议,但 O'Malley 和 Leger 的许多同事都觉得把 LECA 看成一群细胞是有意义的。不过,反对的声音也是存在的,根据 O'Malley 的说法,一些科学家坚持认为 LECA 一定是单个细胞,随着一次又一次的分裂,最终生成了所有的其他真核细胞。O'Malley 说:“我觉得,这种深深的陷在谱系学的思想非常奇怪。”

她认为“LECA 是一个群体”这一理念是理解其如何产生和影响现在真核生物多样性的唯一途径。种群是所有进化论推理的基石。依照定义,进化理论和自然选择发生在种群层面,这不是某个细胞的事,而是关乎种群的问题。这也就是为什么她和她的同事在“更加努力地推进这项工作”。

在重构真核生物的进化历史时要考虑种群问题极为重要,因为这会左右你如何解释环境,如何解释基因。

这一点对于重建 LECA 的尝试工作极为重要。因为,在当时最终存活下来的生物可能不是由今日我们所见到的真核生物与近亲的性状特征构成的。“如果你只看留下来的东西,我觉得这无法理解进化论。我们必须了解种群的发展阶段,才会知道在这个过程中生物丢失了什么信息。”

问题在于,我们可能永远无法知道 LECA 长什么样子。因为,并没有化石或者 DNA 残留来帮助我们直接解释它的面目。即使是最好的基因组学方法也不能让时光倒流,去让我们观测基因序列的改变。基本上,无法确切地知道 LECA 基因组或者说泛基因组是什么样子的。

但这并不意味着这个问题不值得思考。LECA 是我们所有人的根源——就像 Wickstead 所说的“真核生物的多样性发源于此”现在,我们找不到能严格地论证我们的假设的方法,但不意味着我们以后也做不到。他说:“我认为,了解当时发生的事情和那以后生物如何变化是非常重要的。因为只有这样才有机会去理解真核生物是如何从那一点发展而来的。”

在 Leger 看来,仅仅提出这样的问题就能揭示出我们对现阶段对真核生物理解上的差距,“关于真核微生物,我们还有许多东西需要了解,它们的行为,以及它们的生活方式。”

翻译:Leo

审校:陈曦

编辑:王怡蔺

地址:

https://www.quantamagazine.org/rethinking-the-ancestry-of-the-eukaryotes-20190409/

推荐阅读

最大化熵产生原理驱动下的自然选择

宿主与微生物构成的“超级生物体”是如何演化的?

为什么进化总能找到一条简单路径?

基因之间的重复博弈如何影响生物进化?

加入集智,一起复杂!


为何真核生物如此多样?因为祖先就形色各异!-集智俱乐部

集智俱乐部QQ群|877391004

商务合作及投稿转载|swarma@swarma.org

搜索公众号:集智俱乐部

加入“没有围墙的研究所”

集智

让苹果砸得更猛烈些吧!

原文始发于微信公众号(集智俱乐部):集智