追溯基因复制时间揭示真核生物起源的演化蓝图

《Nature》：Dated gene duplications elucidate the evolutionary assembly of eukaryotes

本研究针对真核生物起源过程中细胞器获得顺序的争议，通过松弛分子钟技术对前LECA（最后真核生物共同祖先）基因复制事件进行系统定年，揭示了线粒体内共生发生于宿主古菌已具备复杂细胞特征之后（3.0-2.25 Ga），为支持"古菌复杂化-线粒体晚出"的 eukaryogenesis 模型提供了关键时间证据，发表于《Nature》杂志。

　　

生命史上最伟大的细胞革命——真核生物的起源，至今仍是演化生物学中悬而未决的核心谜题。当前关于真核化过程（eukaryogenesis）的假说，其根本分歧在于线粒体内共生与其他真核特征获得的时间顺序。由于缺乏代表中间阶段的现存生物类群，验证这些假说面临巨大挑战。然而，真核细胞功能的实现依赖于真核化过程中基因复制事件产生的新基因，这些复制事件的时间线可为揭示真核细胞组装序列提供关键线索。

近日发表于《Nature》的研究通过松弛分子钟（relaxed molecular clock）技术，首次系统构建了真核生物关键特征演化的时间轴。研究表明，真核化过程跨越中太古代至古元古代晚期（Mesoarchaean to late Palaeoproterozoic）。更重要的是，宿主古菌细胞在线粒体内共生前已具备复杂细胞特征，包括精细细胞骨架、膜运输系统、内膜系统、吞噬装置和细胞核等结构，这些特征在30-22.5亿年间逐步形成，而线粒体内共生发生于此后。这一发现有力驳斥了“线粒体早出”假说，支持了“复杂化古菌-晚出线粒体”（complexified-archaean, late-mitochondrion）的真核化路径。

研究团队采用层次式贝叶斯方法，首先构建包含代表性真核生物、细菌和古菌的62个标记基因串联序列，通过18个化石标定点建立物种树时间框架。进而利用MCMCTree软件对135个前LECA基因复制事件进行定年分析，其中95个为古菌起源，40个为细菌起源。关键技术包括：基于隐马尔可夫模型（HMM）的基因家族筛选、最大似然法构建基因树、以及将物种树节点年龄作为先验约束应用于单基因树定年。

细胞骨架的演化轨迹

真核细胞从Asgard古菌祖先继承了两类细胞骨架蛋白——肌动蛋白（actin）和微管蛋白（tubulin）。研究显示，肌动蛋白家族从约28亿年前开始复制，其中ARP2和ARP3（负责分支状肌动蛋白丝形成）分别于29-24.7亿年和27.2-20.6亿年出现，表明吞噬作用所需的核心机制在线粒体内共生前已建立。微管蛋白家族在28-22亿年间扩张，γ-微管蛋白（28.4-24.1亿年）和δ/ε-微管蛋白（27.5-22.5亿年）的早期分化提示微管组织中心（MTOC）在27亿年前已形成。

内膜系统的组装顺序

内膜系统各区的演化存在明显时间梯度：内质网-高尔基体-质膜区室的运输相关基因（如STX5、RAB19/30/33、TRAPPC3等）复制最早（30-25.4亿年），而内吞体-溶酶体-自噬体相关基因（如STX7/12、RAB7/9等）复制较晚（27.4-20.4亿年）。这表明内膜系统的构建遵循“由内向外”的模式，代谢核心区室先于消化区室形成。

核区室化的关键证据

剪接体Sm-LSm复合物（28.7-18.7亿年）和RNA聚合酶I/II/III（29.1-23.4亿年）的复制时间表明，转录与翻译的空间分离机制在线粒体内共生前已初步建立。多个核定位蛋白（如NHP2、ACTL6等）的复制事件集中于28.6-20.8亿年，持续推动核结构的完善。

线粒体整合的时间窗口

α-变形菌来源基因的复制爆发始于22亿年左右，包括线粒体蛋白导入系统（TIM14、TIM44等）和代谢酶（DHTKD1、OGDH）等。同时，古菌来源基因中产生线粒体靶向旁系同源物（如ATAD1、TOP3A等）的复制事件集中于26.5-18.3亿年，共同印证了内共生后基因功能特化的过程。

研究结论揭示，真核化过程始于中太古代与古菌亲属的分化，经历早元古代早期的线粒体内共生，最终在晚元古代形成LECA。宿主古菌在先已具备分支细胞骨架、区室化内膜系统和原始细胞核等复杂特征，表明真核复杂性演化并非依赖线粒体供能，而是古菌宿主自身演化的延续。该时间轴与地球氧化事件（GOE）相耦合，支持在漫长缺氧海洋环境中通过互养关系（syntrophy）驱动内共生的假说。

这项研究通过基因复制定年技术突破了真核起源研究的时空限制，为理解细胞复杂性演化提供了定量框架。所提出的CALM（complexified archaeon, late-mitochondrion）模型整合了多组学证据与地质记录，为探索生命演化史上的关键跃迁树立了新范式。