在生命起源后的数十亿年里,地球上唯一的生物是微小的原始细胞,类似于今天的细菌。但在15亿多年前,一件不可思议的事情发生了:其中一个属于古生菌群的原始细胞吞噬了另一个不同的细胞——一种细菌。

这种细菌没有被消化,而是在另一个有机体中永久居住,生物学家称之为内共生体。最终,它完全融入了它的原生宿主细胞,成为我们今天所知的线粒体,细胞产生能量的关键成分。

长期以来,它的获得一直被视为自生命起源以来最重要的进化飞跃的关键一步:从早期原始细胞,或原核生物,过渡到更复杂的高等生物,或真核生物,包括我们自己。

你会在大多数生物教科书中找到一个简洁的故事——但它真的那么简单吗?在过去的几年里,新的证据对线粒体在这一转变中发挥重要作用的观点提出了挑战。研究人员对首批真核生物的现代近亲基因组进行了测序,发现了许多意想不到的基因,这些基因似乎既不是来自宿主,也不是来自内共生生物。一些科学家认为,这可能意味着第一批真核生物的进化涉及两个以上的伴侣,并且比想象的发生得更缓慢。

其他人认为没有理由放弃这样的理论:获得线粒体是点燃真核生物快速进化的火花——亿万年之后,植物、动物、脊椎动物,以及我们人类的进化。来自基因组学和细胞生物学的新证据可能有助于解决这场争论,同时也指出,要理解我们自己祖先的一个基本事件——复杂细胞的起源,仍需填补知识空白。

基因之谜

在过去的十年中,当神秘的基因出现时,不确定性就产生了。当时,巴塞罗那超级计算中心的进化基因组学家Toni Gabaldón和他的同事利用当今廉价的基因测序技术,探索了大量真核生物的基因组,包括早期真核生物的一些不为人知的、原始的现代近亲。

他们希望找到可以追溯到古宿主或线粒体祖先的基因,线粒体祖先是阿尔法变形菌门的一员。但令他们惊讶的是,科学家们还发现了似乎来自其他多种细菌的基因。Gabaldón和他的同事们假设,真核生物的细胞祖先从不同的伙伴那里获得了这些基因。这些伙伴可能是后来失去的额外的内共生体,也可能是自由生活的细菌,通过一种称为水平基因转移的常见过程将一个或几个基因传递给祖先宿主。他们认为,无论如何,导致真核生物的探戈涉及的舞者不止两个。

Gabaldón说:“现在很明显,还有来自其他伙伴的额外贡献。”他在2021年写了关于真核生物早期进化的文章微生物学年度评论

很难确切知道这些古老的外来基因来自哪里,因为时间已经过去了这么久。但在坦佩市亚利桑那州立大学的进化细胞生物学家约翰·麦卡琴(John McCutcheon)在2021年撰写了关于内共生进化的文章,他说,有许多更近期的、更松散的内共生,外来基因的起源更容易识别细胞与发育生物学年度评论.他说,通过类比,研究这些可能会让我们有机会了解线粒体和第一批真核生物是如何进化的。

一个典型的例子是一种叫做粉虫的昆虫和两种细菌内共生体之间大约1亿年前的伙伴关系,其中一种嵌套在另一种粉虫的细胞中。(内共生体产生粉蚧无法从食物中获得的必需氨基酸。)基于基因组分析,McCutcheon和他的同事们发现粉蚧的代谢途径现在是一个由基因组成的马赛克,这些基因起源于粉蚧本身,与它们的内共生体一起进入,或通过环境中其他微生物的水平转移而获得。为了做到这一点,McCutcheon的团队证明,粉蚧细胞必须进化出一种能够在曾经独立的生物体之间来回运输蛋白质的装置——允许来自粉蚧细胞核的蛋白质穿越两套内共生体膜,供最内部的内共生体使用

类似的情况也发生在单细胞,形似阿米巴的真核生物身上PaulinellaPaulinella有一个内共生体,在几千万年前被吞噬,这使它可以从阳光中获取能量,而不需要通常为光合作用提供动力的叶绿体细胞器。德国杜塞尔多夫大学(University of Dusseldorf)一个实验室的负责人伊娃·诺瓦克(Eva Nowack)发现,保利内拉的基因组现在包含了来自内共生体的基因,以及通过水平基因转移获得的其他基因。

值得注意的是,这种内共生体从宿主细胞核中进口了400多种蛋白质,所以它一定也像粉蚧一样进化出了一个复杂的蛋白质运输系统。“这非常令人兴奋,”在加拿大哈利法克斯达尔霍西大学研究细胞器进化的分子进化学家安德鲁·罗杰(Andrew Roger)说,因为这表明,重新进化这些运输系统并不像之前想象的那么困难。

这些例子说明了内共生体是如何与它们的宿主融为一体的,并表明从各种来源的水平基因转移在真核生物的早期进化中也可能是相当频繁的。麦卡琴说:“这并没有说明线粒体的形成过程中发生了什么,但它表明这是可能的。”

其他人也同意。“有很多强有力的证据表明,在真核生物中水平基因转移,所以真的没有理由说它不可能发生在原核-真核生物过渡的时期。事实上,这几乎肯定发生了,”罗杰说。

购买基因

达尔豪斯大学的比较基因组学家约翰·阿奇博尔德解释说,这意味着古代宿主可能通过水平基因转移或吞食一系列内共生生物逐渐获得真核生物的特征,一次一个,就像一个购物者从购物袋里挑东西一样。其中一些新获得的基因可能对宿主有用,因为它进化出了现代真核细胞中发现的其余机制。

如果是这样的话,当古老的宿主吞噬了线粒体的前体时,它应该已经具备了许多真核生物的特征,可能包括一些细胞器,被膜包围的内部隔层,这意味着线粒体可能不是真核生物进化的主要驱动因素,而是后来的一个补充。

但是,尽管所有的证据都支持真核生物进化的渐进主义假说,还是有一些值得怀疑的理由。首先,这些较新的内共生可能并不能告诉我们真核生物起源过程中发生了什么——毕竟,在这些情况下,现代宿主细胞已经是真核生物了。杜塞尔多夫大学研究真核生物起源的进化生物学家比尔·马丁说:“这些例子告诉我们,一旦你有了一个真核细胞,建立细胞内共生是多么容易。”但真核生物已经具备了吞噬另一个细胞所需的所有细胞内机制。马丁说,目前还不清楚原始真核生物的祖先是否有这种能力——这将使第一次内共生的障碍变得更高。在他看来,这反驳了真核细胞的渐进进化。

阴道毛滴虫兰伯氏贾第虫而且锥虫属brucei(从左到右)都被认为是原始真核生物。生物学家对这些和其他不寻常的真核生物的基因组进行测序,发现了一些意想不到的基因,这些基因似乎既不是来自最初的真核宿主细胞,也不是来自其线粒体共生体。这可能意味着其他伙伴物种也对真核生物的起源做出了贡献。信贷:疾控中心/乔·米勒(左);疾控中心/斯坦·厄兰森博士(中间);海鸥实验室,威廉·邓恩爵士病理学院Cc / 4.0)(右)

事实上,一些证据表明,真核生物的关键特征是一次性获得的,而不是逐渐获得的。所有真核生物都有一组完全相同的细胞器,这对任何研究过细胞生物学的人来说都是熟悉的:细胞核、核仁、核糖体、粗面和光滑内质网、高尔基体、细胞骨架、溶酶体和中心粒。(植物和其他一些具有光合作用的真核生物有一个额外的叶绿体,每个人都认为它是通过单独的内共生产生的。)弗吉尼亚州霍华德休斯医学研究所詹尼利亚研究校园的细胞生物学家詹妮弗·利平科特-施瓦茨说,这强烈表明其他细胞成分几乎都起源于同一时间——如果不是这样,不同的真核生物谱系应该有不同的细胞器混合。

一些生物化学证据也证明了这一点。原始宿主和内共生体分别属于生命之树的不同分支——古生菌和细菌——它们使用不同的分子来构建它们的膜。真核细胞器的膜在结构上都不是完全古菌的,所以它们不太可能来自祖先的宿主细胞。相反,这表明古宿主是一种相对简单的细胞,它的其他细胞器是在线粒体祖先到来之后才进化出来的。

但那些最近在真核生物家谱中发现的神秘外源基因呢?马丁说,还有另一种可能的解释。所有这些外来基因都可能与进化成线粒体的内共生体一起出现在一个包中。后来,在那次事件之后的15亿年里,由于细菌可以轻易地来回交换基因,这些基因可能分散在许多细菌群中。这将会给人一种错误的印象,即多个伴侣为早期真核生物贡献了基因。

此外,马丁补充说,如果渐进式的观点是正确的,不同的真核生物谱系应该具有从根本上和可测量的不同的基因集合,但他已经证明事实并非如此。马丁表示:“没有证据表明存在连续收购。”“在真核生物起源处获得一次线粒体就足够了。”

这场争论不太可能很快得到解决。罗杰说:“很难找到能让我们清楚区分这些选择的数据。”但是,如果对不为人知的原始真核生物的进一步研究发现,有些真核生物只有真核细胞器的一个子集,这将为渐进式假说提供支持。另一方面,如果有证据表明一个简单的古菌细胞可以获得一个内共生体,那将使“线粒体早期”的假说更加可信。

阿奇博尔德说:“人们会被大问题所吸引,而这些问题越难回答,就会有越多的人被吸引去讨论它们。”“这就是它的乐趣所在。”

本文最初发表于可知的杂志《年度评论》的独立新闻报道。报名参加通讯