极端简化的古菌基因组揭示生命极限与宿主依赖性新机制

《BIOspektrum》：Kleinstes archaeelles Genom: extrem reduziert und vom Wirt abh?ngig

研究人员为探索细胞生命的最小基因组需求，对Candidatus Sukuna-archaeum mirabile古菌展开研究。该古菌基因组仅238 kbp，编码189个蛋白基因，代谢通路几乎完全缺失，依赖宿主生存。其基因组富含超千氨基酸的未知功能蛋白，为生命演化及宿主-共生体互作提供新视角。

　　

在生命科学领域，探索细胞生命所需的最小基因组蓝图一直是揭示生命本质的核心课题。以往研究多集中于细菌（如支原体）或真核生物线粒体等简化系统，而对古菌（Archaea）这一生命第三域的基因组最小化认知仍存空白。古菌作为一类独特的单细胞微生物，常生存于极端环境，其基因组结构既具有原核特性，又蕴含真核特征的分子机器，因此成为研究生命演化与功能精简的关键模型。然而，当前对古菌极端简化基因组的报道极少，其宿主依赖机制和基因组保留规律尚未明晰。

为此，发表于《BIOspektrum》的研究首次报道了一类深部分支的古菌新谱系——Candidatus Sukuna-archaeum mirabile，其基因组仅238 kbp，编码189个蛋白质基因，展现出前所未有的简化程度。该研究通过宏基因组学（metagenomics）和单细胞基因组学技术，从环境样本中重构其基因组草图，并利用生物信息学工具进行基因注释、系统发育分析和功能预测。结果显示，该古菌几乎缺失所有已知代谢通路基因，仅保留DNA复制、转录、翻译等核心遗传信息处理机制，表明其极度依赖宿主提供营养支持。尤为值得注意的是，基因组中富含多个长度超1000氨基酸的未知功能蛋白，推测可能参与宿主互作。这一发现不仅重新定义了细胞生命的最小基因组边界，还为理解宿主-共生体协同演化提供了新范式。

关键实验方法

研究通过环境样本宏基因组测序筛选到目标古菌序列，结合单细胞基因组扩增技术获取完整基因组。利用生物信息学流程进行组装、注释和系统发育树构建，并通过同源性比对缺失代谢通路分析。

基因组特征与系统发育地位

通过比较基因组学分析，Candidatus Sukuna-archaeum mirabile的基因组大小仅238 kbp，是已知最小古菌基因组之一。系统发育显示其属于古菌域中一个深部分支且未被描述的新谱系，远离其他已知古菌类群。

极端简化的功能基因组成

基因组中仅鉴定出189个蛋白质编码基因，几乎无完整代谢通路（如能量产生或氨基酸合成）相关基因。保留基因高度集中于DNA复制、RNA转录和蛋白质翻译等核心分子过程，印证其“复制核心”特性。

大尺寸未知蛋白的潜在功能

与其它小型基因组相比，该古菌编码多个长度超过1000氨基酸的蛋白质，其中大部分功能未知。通过结构域预测，部分蛋白可能参与宿主细胞相互作用，但具体机制需进一步验证。

结论与意义

该研究揭示了一种以基因组极端精简和宿主代谢依赖为特征的古菌新类群，其基因组规模挑战了细胞生命的最小基因集认知。通过保留核心遗传信息处理机制而非代谢能力，该古菌凸显了寄生或共生生命形式的演化策略。对超长未知蛋白的发现进一步提示宿主互作机制的复杂性，为生命起源、细胞最小化设计及共生关系演化研究提供了关键案例。