阿斯加德古菌DNA复制体创新揭示真核生物复杂性的起源

《Nature Ecology & Evolution》：Serial innovations by Asgard archaea shaped the DNA replication machinery of the early eukaryotic ancestor

本研究通过整合基因组学、结构生物学和系统发育学方法，揭示了阿斯加德古菌DNA复制机器在真核生物起源过程中的关键创新。研究人员发现，真核生物特有的DNA聚合酶、引发酶和RFC复合体等核心复制元件在阿斯加德古菌中已出现功能分化和异源多聚化趋势，并通过水平基因转移和基因丢失等机制，最终形成了真核生物祖先的复杂复制体。该研究为理解真核生物细胞复杂性的演化提供了重要线索。

　　

生命的奥秘隐藏在细胞最基本的运作过程中，而DNA复制作为遗传信息传递的核心环节，其演化历史一直是科学家们探索的焦点。真核生物拥有比细菌和古菌更为复杂的DNA复制机器，这种复杂性是如何演化而来的？这个问题困扰了演化生物学家数十年。随着阿斯加德古菌的发现，科学家们找到了连接原核生物与真核生物的关键缺失环节，为解开这个谜题带来了新的希望。

在《Nature Ecology & Evolution》发表的最新研究中，科学家们对阿斯加德古菌的DNA复制机器进行了全面解析。为了揭示真核生物复制体的演化轨迹，研究人员收集了429个已发表的阿斯加德古菌基因组，并整合了其他古菌、细菌和真核生物的数据，构建了高质量的数据集。通过隐马尔可夫模型（HMM）谱构建、系统发育分析、蛋白质结构预测和酵母双杂交实验等关键技术，他们深入探索了复制体基因的演化历程。

研究首先通过基因组分析揭示了阿斯加德古菌复制体基因的显著特征。与其它古菌相比，阿斯加德古菌的复制体基因数量呈现出明显的扩张趋势。特别值得注意的是，这种扩张呈现出明显的"倾斜"模式——随着基因组大小的增加，复制体基因的增长速度远超其他基因。这种模式在阿斯加德古菌中尤为突出，而在其他古菌类群中则不明显，暗示阿斯加德古菌在复制体复杂性演化中具有特殊地位。

DNA聚合酶的演化轨迹展现了从简单到复杂的转变过程。研究人员发现，阿斯加德古菌编码了多种DNA聚合酶B家族（PolB）成员，其中一些展现出与真核生物DNA聚合酶的结构相似性。例如，Baldrarchaeia类群的PolB蛋白C端结构域（CTD）与真核生物Polδ和Polα的CTD具有相似特征，而Hodarchaeales类群则编码了与真核生物Polδ1相关的聚合酶。这些发现表明，真核生物特异的DNA聚合酶功能分化在阿斯加德古菌中已经开始出现。

引发酶复合体的研究同样揭示了重要的演化线索。典型的古菌引发酶由PriS和PriL两个小亚基组成同源二聚体，而真核生物的引发酶则是由四个亚基组成的异源四聚体。研究发现，阿斯加德古菌的引发酶亚基在大小和结构域组成上呈现出向真核生物特征的过渡状态，特别是在Heimdallarchaeia类群中，PriL亚基获得了新的结构域，这可能是向真核生物式引发酶复杂化的重要一步。

RFC滑动钳装载复合体的演化故事尤为精彩。典型的古菌RFC由一个大亚基RfcL和一个小亚基RfcS的同源四聚体组成，而真核生物RFC则是由五个不同亚基组成的异源五聚体。研究发现在Lokiarchaeales类群中，RfcS基因经历了复制和分化，产生了三个不同的旁系同源基因（RfcS1、RfcS2和RfcS3）。结构预测显示，这些分化的小亚基可能已经开始承担不同的功能，类似于真核生物RFC中亚基功能特化的前奏。

研究人员通过酵母双杂交实验证实了阿斯加德古菌RFC亚基之间的相互作用网络，发现其复杂性确实高于典型古菌。特别有趣的是，某些阿斯加德古菌RfcS蛋白中出现了与真核生物RFC"E-plug"结构相似的功能域，这可能代表着钳装载机制的重要创新。

基因拷贝数扩张的分析揭示了两种不同的演化模式。一些基因家族在真核生物中的旁系同源基因都起源于同一个系统发育节点，表明它们是通过最后真核生物共同祖先（LECA）中的基因复制事件产生的。而另一些基因，如Fen1、Top6A/B、RfcS等，在阿斯加德古菌中已经存在多个旁系同源基因，且这些基因在真核生物中的同源蛋白与特定的阿斯加德古菌变体关系更近，提示水平基因转移（HGT）在真核生物复制体形成中发挥了重要作用。

系统发育分析为真核生物的起源提供了新的线索。研究人员选择了六个在古菌中通常为单拷贝且垂直遗传的复制体基因（PCNA、MCM、RfcL、DP1、PriS、PriL）进行串联分析，结果显示真核生物与Heimdallarchaeia构成姐妹群关系，这一结果与近期多项研究的结果一致，支持真核生物起源于或近于Heimdallarchaeia类群的观点。

综合所有发现，研究人员提出了一个逐步演化的模型：从古菌最后共同祖先（LACA）分化后，最早的与真核生物相关的创新发生在Thermoproteota和阿斯加德古菌的共同祖先中，引发了GINS复合体从同源四聚体向异源四聚体的转变。随后，在阿斯加德古菌的演化过程中，拓扑异构酶VI和引发酶等重要元件发生了关键的结构创新。在真核生物祖先与Heimdallarchaeia分化后，通过各种阿斯加德古菌谱系的水平基因转移，Polδ1样PolB、异源多聚体RFC复合体等创新特征被引入真核生物祖先，最终在LECA形成前爆发了大规模的基因复制事件。

这项研究的意义不仅在于揭示了DNA复制机器复杂化的演化路径，更重要的是展示了生命复杂性演化的基本规律。研究表明，真核生物的关键创新并非一蹴而就，而是通过不同谱系中的序列创新、水平基因转移和基因丢失等机制逐步积累形成的。这种"分散创新-层次整合"的模式可能也适用于其他核心细胞机器的演化，为理解真核生物细胞复杂性的起源提供了新的框架。

该研究还提示，在利用核心基因进行深层系统发育推断时需要格外谨慎，因为即使是看似保守的"单拷贝"基因也可能经历复杂的水平基因转移事件。未来对更多核心细胞功能演化的深入研究，将有助于完善我们对真核生物起源的理解，最终解开生命复杂性演化的奥秘。