Nature揭示生命进化最重要的里程碑

细胞何时获得线粒体?

【字体: 时间:2016年02月15日 来源:生物通

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  2月3日在国际著名期刊《Nature》发表的一项研究中,西班牙基因组调控中心(CRG)的研究人员Toni Gabaldón和Alexandros Pitis,揭示了生命进化过程中一个最重要的里程碑:细胞何时获得了线粒体。

  

生物通报道:我们知道,物理学家通过观察星星探索宇宙的起源,考古学家根据今天发现的史前古器物重建古代文明,同样地,进化生物学家通过研究现代物种的多样性,来理解生命的起源和进化。

2月3日在国际著名期刊《Nature》发表的一项研究中,西班牙基因组调控中心(CRG)的研究人员Toni Gabaldón和Alexandros Pitis,揭示了生命进化过程中一个最重要的里程碑:细胞何时获得了线粒体。

第一种生物是单细胞生物,是今天栖居于世界上的细菌的前辈。这些细胞相当简单,但在进化过程中的某一时刻,它们让位于一个更复杂的细胞谱系:真核生物,或具有细胞核的细胞。真核细胞已经产生了地球上最复杂的生命形式,包括多细胞生物,如动物、植物或真菌。这种复杂性的一个关键因素,可以存在于线粒体——这个细胞器被认为是细胞能量的发电机,虽然这并不是它们唯一的作用。据认为,通过获得线粒体,细胞能够使用更多的能量,促使其结构和组织发生了质的飞跃。这就是为什么“线粒体的加入”被认为是生命进化的重要里程碑。

到目前为止,许多理论都试图解释细胞是如何获得线粒体的。关于这一点虽然已有共识,但是,第一个线粒体一定是一种细菌,进入另一个细胞,并留在那里,成为细胞的一部分吗?这发生在什么时候?目前都还不清楚。一些科学家主张线粒体是在早期获得,并认为这一步是发展出真核细胞的先决条件。其他理论则提出线粒体是在后期加入,一种更为复杂的宿主细胞可以更利于另一个细胞的进入,并且那个细胞在其内部具有持久性。现在,Alexandros Pitis和Toni Gabaldón澄清了这个问题,提出了一种理论,将定义线粒体获得的时间框。

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这项研究的负责人Toni Gabaldón指出:“就像考古学家一样,我们试图基于今天的证据,重建过去存在的一些东西。具体而言,我们已经找到了所有复杂生物体所共有的蛋白质,并重建了它们的演化。我们发现,与线粒体获得相关的蛋白质,比细胞其他部分有关的蛋白质,晚到了一些时间。”科学家使用一组不同的测量数据,来确定几种蛋白质并入真核细胞谱系的时间。他们发现,蛋白质似海浪般接踵而至,而那些与祖先线粒体相关的蛋白质,是与最近的蛋白质相匹配的。本文第一作者Alexandros Pitis强调说:“我们的工作表明,线粒体的获得,发生在细胞进化较晚的时期,而此时宿主细胞已经有了一定程度的复杂性。我们的研究使我们有可能打破被认为是生命起源后最伟大的进化飞跃。理解复杂性是如何起源和演变的,对于更好地了解控制细胞的机制极其重要,引申开来,包括所有生物体的功能。”

关于线粒体起源问题,在2014年10月,弗吉尼亚大学研究人员开展的一项研究,使用新一代DNA测序技术,解码了18种线粒体近缘细菌的基因组,表明寄生菌是给细胞供给能量的线粒体的第一代表亲,在它们变成有益之前,首先充当这些细胞中的能量寄生虫。这项研究颠覆了当前的线粒体起源理论,相关研究发表在《PLOS One》杂志。华人学者颠覆当前的线粒体起源理论

线粒体在我们体内扮演着多重角色,这个结构能完成不同的细胞间功能,受到多种复杂的信号途径的动态调控。近年来科学家们对于这个总是带来惊喜的细胞器兴趣多多,这主要是因为一些研究表明线粒体不仅能作为细胞的能量库,而且还执行着多种功能。2015年5月,Cell期刊推出特辑:多面线粒体,也许有助于我们解开线粒体之谜。Cell特辑:多面线粒体

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Late acquisition of mitochondria by a host with chimaeric prokaryotic ancestry
Abstract:The origin of eukaryotes stands as a major conundrum in biology1. Current evidence indicates that the last eukaryotic common ancestor already possessed many eukaryotic hallmarks, including a complex subcellular organization. In addition, the lack of evolutionary intermediates challenges the elucidation of the relative order of emergence of eukaryotic traits. Mitochondria are ubiquitous organelles derived from an alphaproteobacterial endosymbiont4. Different hypotheses disagree on whether mitochondria were acquired early or late during eukaryogenesis. Similarly, the nature and complexity of the receiving host are debated, with models ranging from a simple prokaryotic host to an already complex proto-eukaryote. Most competing scenarios can be roughly grouped into either mito-early, which consider the driving force of eukaryogenesis to be mitochondrial endosymbiosis into a simple host, or mito-late, which postulate that a significant complexity predated mitochondrial endosymbiosis. Here we provide evidence for late mitochondrial endosymbiosis. We use phylogenomics to directly test whether proto-mitochondrial proteins were acquired earlier or later than other proteins of the last eukaryotic common ancestor. We find that last eukaryotic common ancestor protein families of alphaproteobacterial ancestry and of mitochondrial localization show the shortest phylogenetic distances to their closest prokaryotic relatives, compared with proteins of different prokaryotic origin or cellular localization. Altogether, our results shed new light on a long-standing question and provide compelling support for the late acquisition of mitochondria into a host that already had a proteome of chimaeric phylogenetic origin. We argue that mitochondrial endosymbiosis was one of the ultimate steps in eukaryogenesis and that it provided the definitive selective advantage to mitochondria-bearing eukaryotes over less complex forms.

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