摘要：研究針對(duì)真核生物起源過程中細(xì)胞器獲得順序的爭(zhēng)議，通過松弛分子鐘技術(shù)對(duì)前LECA（最后真核生物共同祖先）基因復(fù)制事件進(jìn)行系統(tǒng)定年。
生命史上最偉大的細(xì)胞革命——真核生物的起源，至今仍是演化生物學(xué)中懸而未決的核心謎題。當(dāng)前關(guān)于真核化過程（eukaryogenesis）的假說，其根本分歧在于線粒體內(nèi)共生與其他真核特征獲得的時(shí)間順序。由于缺乏代表中間階段的現(xiàn)存生物類群，驗(yàn)證這些假說面臨巨大挑戰(zhàn)。然而，真核細(xì)胞功能的實(shí)現(xiàn)依賴于真核化過程中基因復(fù)制事件產(chǎn)生的新基因，這些復(fù)制事件的時(shí)間線可為揭示真核細(xì)胞組裝序列提供關(guān)鍵線索。
近日發(fā)表于《Nature》的研究通過松弛分子鐘（relaxed molecular clock）技術(shù)，首次系統(tǒng)構(gòu)建了真核生物關(guān)鍵特征演化的時(shí)間軸。研究表明，真核化過程跨越中太古代至古元古代晚期（Mesoarchaean to late Palaeoproterozoic）。更重要的是，宿主古菌細(xì)胞在線粒體內(nèi)共生前已具備復(fù)雜細(xì)胞特征，包括精細(xì)細(xì)胞骨架、膜運(yùn)輸系統(tǒng)、內(nèi)膜系統(tǒng)、吞噬裝置和細(xì)胞核等結(jié)構(gòu)，這些特征在30-22.5億年間逐步形成，而線粒體內(nèi)共生發(fā)生于此后。這一發(fā)現(xiàn)有力駁斥了“線粒體早出”假說，支持了“復(fù)雜化古菌-晚出線粒體”（complexified-archaean, late-mitochondrion）的真核化路徑。
圖1 基于年代的基因復(fù)制事件揭示了真核生物的進(jìn)化組裝過程
研究團(tuán)隊(duì)采用層次式貝葉斯方法，首先構(gòu)建包含代表性真核生物、細(xì)菌和古菌的62個(gè)標(biāo)記基因串聯(lián)序列，通過18個(gè)化石標(biāo)定點(diǎn)建立物種樹時(shí)間框架。進(jìn)而利用MCMCTree軟件對(duì)135個(gè)前LECA基因復(fù)制事件進(jìn)行定年分析，其中95個(gè)為古菌起源，40個(gè)為細(xì)菌起源。關(guān)鍵技術(shù)包括：基于隱馬爾可夫模型（HMM）的基因家族篩選、最大似然法構(gòu)建基因樹、以及將物種樹節(jié)點(diǎn)年齡作為先驗(yàn)約束應(yīng)用于單基因樹定年。
細(xì)胞骨架的演化軌跡
真核細(xì)胞從Asgard古菌祖先繼承了兩類細(xì)胞骨架蛋白——肌動(dòng)蛋白（actin）和微管蛋白（tubulin）。研究顯示，肌動(dòng)蛋白家族從約28億年前開始復(fù)制，其中ARP2和ARP3（負(fù)責(zé)分支狀肌動(dòng)蛋白絲形成）分別于29-24.7億年和27.2-20.6億年出現(xiàn)，表明吞噬作用所需的核心機(jī)制在線粒體內(nèi)共生前已建立。微管蛋白家族在28-22億年間擴(kuò)張，γ-微管蛋白（28.4-24.1億年）和δ/ε-微管蛋白（27.5-22.5億年）的早期分化提示微管組織中心（MTOC）在27億年前已形成。
內(nèi)膜系統(tǒng)的組裝順序
內(nèi)膜系統(tǒng)各區(qū)的演化存在明顯時(shí)間梯度：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體-質(zhì)膜區(qū)室的運(yùn)輸相關(guān)基因（如STX5、RAB19/30/33、TRAPPC3等）復(fù)制最早（30-25.4億年），而內(nèi)吞體-溶酶體-自噬體相關(guān)基因（如STX7/12、RAB7/9等）復(fù)制較晚（27.4-20.4億年）。這表明內(nèi)膜系統(tǒng)的構(gòu)建遵循“由內(nèi)向外”的模式，代謝核心區(qū)室先于消化區(qū)室形成。
核區(qū)室化的關(guān)鍵證據(jù)
剪接體Sm-LSm復(fù)合物（28.7-18.7億年）和RNA聚合酶I/II/III（29.1-23.4億年）的復(fù)制時(shí)間表明，轉(zhuǎn)錄與翻譯的空間分離機(jī)制在線粒體內(nèi)共生前已初步建立。多個(gè)核定位蛋白（如NHP2、ACTL6等）的復(fù)制事件集中于28.6-20.8億年，持續(xù)推動(dòng)核結(jié)構(gòu)的完善。
線粒體整合的時(shí)間窗口
α-變形菌來源基因的復(fù)制爆發(fā)始于22億年左右，包括線粒體蛋白導(dǎo)入系統(tǒng)（TIM14、TIM44等）和代謝酶（DHTKD1、OGDH）等。同時(shí)，古菌來源基因中產(chǎn)生線粒體靶向旁系同源物（如ATAD1、TOP3A等）的復(fù)制事件集中于26.5-18.3億年，共同印證了內(nèi)共生后基因功能特化的過程。
圖2 通過原核生物起源構(gòu)建的時(shí)間尺度物種樹與基因復(fù)制事件
研究結(jié)論揭示，真核化過程始于中太古代與古菌親屬的分化，經(jīng)歷早元古代早期的線粒體內(nèi)共生，最終在晚元古代形成LECA。宿主古菌在先已具備分支細(xì)胞骨架、區(qū)室化內(nèi)膜系統(tǒng)和原始細(xì)胞核等復(fù)雜特征，表明真核復(fù)雜性演化并非依賴線粒體供能，而是古菌宿主自身演化的延續(xù)。該時(shí)間軸與地球氧化事件（GOE）相耦合，支持在漫長(zhǎng)缺氧海洋環(huán)境中通過互養(yǎng)關(guān)系（syntrophy）驅(qū)動(dòng)內(nèi)共生的假說。
這項(xiàng)研究通過基因復(fù)制定年技術(shù)突破了真核起源研究的時(shí)空限制，為理解細(xì)胞復(fù)雜性演化提供了定量框架。所提出的CALM（complexified archaeon, late-mitochondrion）模型整合了多組學(xué)證據(jù)與地質(zhì)記錄，為探索生命演化史上的關(guān)鍵躍遷樹立了新范式。
參考資料
[1] Dated gene duplications elucidate the evolutionary assembly of eukaryotes
摘要：研究針對(duì)真核生物起源過程中細(xì)胞器獲得順序的爭(zhēng)議，通過松弛分子鐘技術(shù)對(duì)前LECA（最后真核生物共同祖先）基因復(fù)制事件進(jìn)行系統(tǒng)定年。
生命史上最偉大的細(xì)胞革命——真核生物的起源，至今仍是演化生物學(xué)中懸而未決的核心謎題。當(dāng)前關(guān)于真核化過程（eukaryogenesis）的假說，其根本分歧在于線粒體內(nèi)共生與其他真核特征獲得的時(shí)間順序。由于缺乏代表中間階段的現(xiàn)存生物類群，驗(yàn)證這些假說面臨巨大挑戰(zhàn)。然而，真核細(xì)胞功能的實(shí)現(xiàn)依賴于真核化過程中基因復(fù)制事件產(chǎn)生的新基因，這些復(fù)制事件的時(shí)間線可為揭示真核細(xì)胞組裝序列提供關(guān)鍵線索。
近日發(fā)表于《Nature》的研究通過松弛分子鐘（relaxed molecular clock）技術(shù)，首次系統(tǒng)構(gòu)建了真核生物關(guān)鍵特征演化的時(shí)間軸。研究表明，真核化過程跨越中太古代至古元古代晚期（Mesoarchaean to late Palaeoproterozoic）。更重要的是，宿主古菌細(xì)胞在線粒體內(nèi)共生前已具備復(fù)雜細(xì)胞特征，包括精細(xì)細(xì)胞骨架、膜運(yùn)輸系統(tǒng)、內(nèi)膜系統(tǒng)、吞噬裝置和細(xì)胞核等結(jié)構(gòu)，這些特征在30-22.5億年間逐步形成，而線粒體內(nèi)共生發(fā)生于此后。這一發(fā)現(xiàn)有力駁斥了“線粒體早出”假說，支持了“復(fù)雜化古菌-晚出線粒體”（complexified-archaean, late-mitochondrion）的真核化路徑。
圖1 基于年代的基因復(fù)制事件揭示了真核生物的進(jìn)化組裝過程
研究團(tuán)隊(duì)采用層次式貝葉斯方法，首先構(gòu)建包含代表性真核生物、細(xì)菌和古菌的62個(gè)標(biāo)記基因串聯(lián)序列，通過18個(gè)化石標(biāo)定點(diǎn)建立物種樹時(shí)間框架。進(jìn)而利用MCMCTree軟件對(duì)135個(gè)前LECA基因復(fù)制事件進(jìn)行定年分析，其中95個(gè)為古菌起源，40個(gè)為細(xì)菌起源。關(guān)鍵技術(shù)包括：基于隱馬爾可夫模型（HMM）的基因家族篩選、最大似然法構(gòu)建基因樹、以及將物種樹節(jié)點(diǎn)年齡作為先驗(yàn)約束應(yīng)用于單基因樹定年。
細(xì)胞骨架的演化軌跡
真核細(xì)胞從Asgard古菌祖先繼承了兩類細(xì)胞骨架蛋白——肌動(dòng)蛋白（actin）和微管蛋白（tubulin）。研究顯示，肌動(dòng)蛋白家族從約28億年前開始復(fù)制，其中ARP2和ARP3（負(fù)責(zé)分支狀肌動(dòng)蛋白絲形成）分別于29-24.7億年和27.2-20.6億年出現(xiàn)，表明吞噬作用所需的核心機(jī)制在線粒體內(nèi)共生前已建立。微管蛋白家族在28-22億年間擴(kuò)張，γ-微管蛋白（28.4-24.1億年）和δ/ε-微管蛋白（27.5-22.5億年）的早期分化提示微管組織中心（MTOC）在27億年前已形成。
內(nèi)膜系統(tǒng)的組裝順序
內(nèi)膜系統(tǒng)各區(qū)的演化存在明顯時(shí)間梯度：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體-質(zhì)膜區(qū)室的運(yùn)輸相關(guān)基因（如STX5、RAB19/30/33、TRAPPC3等）復(fù)制最早（30-25.4億年），而內(nèi)吞體-溶酶體-自噬體相關(guān)基因（如STX7/12、RAB7/9等）復(fù)制較晚（27.4-20.4億年）。這表明內(nèi)膜系統(tǒng)的構(gòu)建遵循“由內(nèi)向外”的模式，代謝核心區(qū)室先于消化區(qū)室形成。
核區(qū)室化的關(guān)鍵證據(jù)
剪接體Sm-LSm復(fù)合物（28.7-18.7億年）和RNA聚合酶I/II/III（29.1-23.4億年）的復(fù)制時(shí)間表明，轉(zhuǎn)錄與翻譯的空間分離機(jī)制在線粒體內(nèi)共生前已初步建立。多個(gè)核定位蛋白（如NHP2、ACTL6等）的復(fù)制事件集中于28.6-20.8億年，持續(xù)推動(dòng)核結(jié)構(gòu)的完善。
線粒體整合的時(shí)間窗口
α-變形菌來源基因的復(fù)制爆發(fā)始于22億年左右，包括線粒體蛋白導(dǎo)入系統(tǒng)（TIM14、TIM44等）和代謝酶（DHTKD1、OGDH）等。同時(shí)，古菌來源基因中產(chǎn)生線粒體靶向旁系同源物（如ATAD1、TOP3A等）的復(fù)制事件集中于26.5-18.3億年，共同印證了內(nèi)共生后基因功能特化的過程。
圖2 通過原核生物起源構(gòu)建的時(shí)間尺度物種樹與基因復(fù)制事件
研究結(jié)論揭示，真核化過程始于中太古代與古菌親屬的分化，經(jīng)歷早元古代早期的線粒體內(nèi)共生，最終在晚元古代形成LECA。宿主古菌在先已具備分支細(xì)胞骨架、區(qū)室化內(nèi)膜系統(tǒng)和原始細(xì)胞核等復(fù)雜特征，表明真核復(fù)雜性演化并非依賴線粒體供能，而是古菌宿主自身演化的延續(xù)。該時(shí)間軸與地球氧化事件（GOE）相耦合，支持在漫長(zhǎng)缺氧海洋環(huán)境中通過互養(yǎng)關(guān)系（syntrophy）驅(qū)動(dòng)內(nèi)共生的假說。
這項(xiàng)研究通過基因復(fù)制定年技術(shù)突破了真核起源研究的時(shí)空限制，為理解細(xì)胞復(fù)雜性演化提供了定量框架。所提出的CALM（complexified archaeon, late-mitochondrion）模型整合了多組學(xué)證據(jù)與地質(zhì)記錄，為探索生命演化史上的關(guān)鍵躍遷樹立了新范式。
參考資料
[1] Dated gene duplications elucidate the evolutionary assembly of eukaryotes
