Asgard古菌动态突起介导肌动蛋白依赖的爬行运动

《Nature》：Dynamic protrusions mediate crawling motility in Asgard archaea

　　

爬行运动（crawling motility）是真核细胞的标志，需要动态肌动蛋白（actin）细胞骨架、受调控的黏附和空间组织化的信号通路。Asgard古菌（Asgard archaea）被认为是已知最接近真核生物的原核亲属，可能在其大量“真核特征蛋白（eukaryotic signature proteins, ESPs）”中编码这些功能。少数已培养成员呈现复杂细胞形态，由中央细胞体及从其延伸的若干突起组成，突起内充满基于肌动蛋白的细胞骨架。在此，对Lokiarchaea和Hodarchaea谱系中两种生物的活细胞显微观察显示，它们可在分钟时间尺度上动态且大幅度改变细胞形状，并分别以1.5–4.8 μm min^?1的速度生长和回缩其广泛突起。黏附至玻璃表面后，细胞利用其突起进行主动爬行运动。然而，在选定肌动蛋白抑制剂存在时，所观察到的动力学被阻断，提示肌动蛋白在这些过程中发挥核心作用。所观察到的细胞可塑性和运动性在原核生物中为独特特征，可能对最初真核细胞的出现至关重要；这些真核细胞被认为通过Asgard古菌成员与α-变形菌（α-proteobacterium，线粒体祖先）的联合而形成。

该研究发表于《Nature》，围绕Asgard古菌（Asgard archaea）是否具有真核细胞样动态突起和爬行运动展开。背景方面，Asgard古菌自发现十年来被视为最接近真核生物的原核亲属，现正式分类为Promethearchaeota或Asgardarchaeota。其基因组编码大量真核特征蛋白（eukaryotic signature proteins, ESPs），包括ESCRT（endosomal sorting complex required for transport）、泛素化机器、基于肌动蛋白（actin）的细胞骨架及相关蛋白、小GTPase等。此前少数培养成员显示中央细胞体和突起，突起充满Lokiactin（Asgard古菌保守肌动蛋白同源物）丝，外膜无细胞壁但装饰蛋白，可能参与细胞–细胞接触或细胞–基质黏附。真核起源模型多认为Promethearchaeota谱系古菌与至少一种α-变形菌（α-proteobacterium，线粒体祖先）共生或合并。尚不清楚这些形态可塑性和运动是否真实发生，是否依赖Lokiactin细胞骨架。研究人员因此建立厌氧活细胞成像，分析Ca. L. ossiferum（Candidatus Lokiarchaeum ossiferum）和Ca. M. peptidophilum（Candidatus Margulisarchaeum peptidophilum），发现两谱系细胞在分钟尺度动态重排突起并爬行，且肌动蛋白抑制剂可阻断，提示Lokiactin细胞骨架驱动这些过程。该发现为理解古菌运动及真核发生中膜可塑性和吞噬前适应提供重要线索。

主要关键技术方法包括：厌氧活细胞成像，采用正置相差显微镜（phase contrast, PC）和倒置微分干涉相差显微镜（differential interference contrast, DIC），在N₂:CO₂气氛流动室中记录，DIC实验最长6 h；荧光活细胞显微使用NucBlue标记DNA、FastAct等标记Lokiactin；肌动蛋白抑制剂筛选与滴定；固定细胞免疫荧光和扫描电镜（scanning electron microscopy, SEM）测量形态；Lokiactin抗体共免疫沉淀（co-immunoprecipitation, Co-IP）结合质谱鉴定互作蛋白；蛋白质组学定量表达；凝胶蛋白同源域比对和结构系统发育分析。样本来源包括Ca. L. ossiferum富集培养，以及Ca. M. peptidophilum HC1与Methanocalculus sp. MC2的纯共培养（HC1:MC2=70:30%）。

研究结果如下。

L. ossiferum的高度动态形状。研究人员对富集培养物（密度>1×10⁶ ml^?1，相对丰度20–60%）进行PC和DIC时间推移成像，发现细胞2 h内主动黏附玻璃。多数黏附细胞具中央细胞体和向四周延伸的突起，平均5个突起（1–10个），平均长3.5 μm（1–15 μm）；突起极细，体积约细胞体1/3，但显著增加表面积。少数为细长棒状。时间推移显示细胞接触玻璃后迅速铺展突起，突起可分支，持续生长和回缩，单突起可达15 μm。Kymography（动态条带分析）显示生长速度1.5±0.6 μm min^?1，回缩分两类：2.0±0.7 μm min^?1或11.4±6.1 μm min^?1。突起数量与平均长度负相关，单细胞总突起长度保持恒定，提示膜脂受控重分布。细胞体也可从棒状变为球形或两个细胞体样结构合并；NucBlue染色显示染色体位置偶尔动态重排。结论：L. ossiferum具有高度可塑细胞形状。

L. ossiferum突起驱动迁移。研究人员观察到51.4±22.5%的细胞移动中央细胞体，包括突然位移和类似真核滑行/爬行的平滑连续移动。多数随机迁移，低限制比（confinement ratio，细胞体净位移与总路径长度之比）；少数持续定向。中位速度1.57±0.93 μm min^?1，慢于archaellum（古菌鞭毛）或鞭毛游泳及细菌twitching（颤搐运动），但在真核爬行速度0.1–20 μm min^?1范围内。增加poly-l-lysine（多聚L-赖氨酸）涂层浓度会同时降低突起动力学和迁移速度。观察支持拉和滑行模式：拉时前导突起尖端黏附，细胞体跟随，前导突起缩短如黏附弹簧；滑行无突然形状变化，可能通过肌动蛋白丝treadmilling（踏车行为）或前后聚合/解聚。量化显示运动方向主要由前方突起决定，少有推的证据，考虑突起长度后对齐改善。结论：L. ossiferum利用突起进行爬行。

动力学依赖Lokiactin丝。研究人员用真核肌动蛋白染料FastAct标记Lokiactin，发现所有动态突起和中央细胞体有信号；染色后突起生长率降至0.72±0.49 μm min^?1但突起仍动态。测试肌动蛋白抑制剂，发现Aspochalasin D、Chaetoglobosin A和Swinholide A（Swin A，大环内酯毒素，可螯合肌动蛋白二聚体并切断真核肌动蛋白丝）显著减少有突起黏附细胞数。Swin A低至50 ng ml^?1（36 nM）即影响，使突起数降至1–2个，阻断新突起形成和持续突起生长，细胞失去迁移；残留突起失去内部稳定丝并呈布朗运动。FastAct信号在Swin A处理后下降但未消失。L. ossiferum编码九个gelsolin同源域（gelsolin homology, GH）蛋白和三个profilins（前纤维蛋白）。为寻找调控因子，研究人员用Lokiactin抗体进行Co-IP，发现一个profilin、五个gelsolin（凝胶蛋白）同源物及一个ARF-GTPase显著富集；第二个profilin和两个BAR域蛋白（BAR-domain proteins）被检测但未达统计显著。蛋白质组分析显示多数gelsolins和profilins位于3,061个表达蛋白前500。结论：突起动力学和运动依赖Lokiactin聚合，并可能由gelsolins和profilins调控。

动力学在Asgard古菌中保守。研究人员用Hodarchaeales代表Ca. M. peptidophilum HC19（与Methanocalculus sp. MC2纯共培养，HC1:MC2=70:30%）进行PC成像。该菌也剧烈重排形态，细胞体和突起比L. ossiferum更大更长，突起生长约快三倍（4.8±1.4 μm min^?1），随机迁移且细胞体迁移更快（3.4±1.2 μm min^?1），限制比0.24±0.17。Swin A滴定降低黏附细胞密度和运动性，未减少每细胞突起数但降低平均突起长度；Swin A阻止球形与长形细胞体间动态重排，并导致球形细胞体塌陷；>50 ng ml^?1时阻断新突起形成和持续突起生长。结论：肌动蛋白依赖的形态重排和表面运动在两个Asgard古菌谱系中保守。

讨论部分表明，研究人员认为这种原核生物中前所未有的膜可塑性和爬行运动通常与真核细胞相关。膜表面积恒定，提示形状变化并非由新脂质合成、从共生伙伴摄取脂质或caveolae（小窝）等细胞内脂质隔室外化造成。该运动不同于archaellum/flagellum驱动游泳和S. acidocaldarius的IV型菌毛twitching，而依赖内部细胞骨架和突起黏附–脱离平衡。膜重排和爬行均涉及Lokiactin细胞骨架，肌动蛋白抑制剂可阻断。不同抑制剂效果差异可能与蛋白序列、丝超微结构或细胞通透性有关。该可塑性和爬行可能利于Asgard古菌在海洋沉积物间隙中搜寻营养或互作伙伴。gelsolin和profilin同源物提示Lokiactin动态调控，Co-IP中BAR域蛋白或ARF GTPase提示更复杂调控。几乎所有Asgard基因组含Lokiactin、gelsolin和profilin，提示这些功能可能早于真核生物出现。当前基于肌动蛋白迁移的理解多来自后生动物和变形虫，含myosin（肌球蛋白）和formin（形成素）/Ena-VASP等更复杂机器；红藻和Trichomonas vaginalis存在无这些蛋白的运动但了解较少。进一步研究Asgard古菌运动机制可揭示古老肌动蛋白迁移形式，并有助于理解真核发生中古菌膜和细胞形状可塑性对吞噬细菌伙伴的可能作用。

研究结论部分翻译：尽管本研究使用两种现存模式生物，它们与约20亿年前真核生物的古菌祖先不同，但可以设想，后者利用突起移向潜在相互作用伙伴，与它们连接以促进营养交换并最终吞噬它们。在厌氧条件下长时间观察Asgard古菌是理解其动力学和迁移能力的第一步。未来研究将揭示所观察行为背后的原理，并有望阐明约20亿年前可能发生在海洋沉积物中、第一个真核细胞出现时的事件。