当今，地球上生命存在形式有两个主流假说：“三域学说”（细菌、古菌、真核生物）和“二域学说”（细菌、古菌-真核生物）。但近年发现证明，真核生物可能起源于古菌中的“阿斯加德古菌”，这一发现支持了“二域说”。但真核生物究竟起源于阿斯加德古菌的哪一支类群，一直存在争议。
北京时间5月7日晚，华东师范大学河口海岸全国重点实验室研究员董宏坡和侯立军团队联合深圳大学研究团队在国际顶级期刊《自然》发表最新研究成果，挑战了此前关于真核生物祖先起源于阿斯加德古菌海姆达尔纲（Heimdallarchaeia）内部，作为霍德尔目（Hodarchaeales）姐妹的假说。该研究将真核生物起源位置精确定位为海姆达尔纲的姐妹类群，这一发现表明真核细胞的起源时间可能约在27.2亿年前，早于地球大氧气事件，这为理解真核细胞形成机制提供重要的线索。
在《自然》发表文章。 本文图片来源均为 华东师范大学
研究团队以我国红树林湿地和河口盐沼湿地为“天然实验室”，历时6年采集沉积物样本，利用计算生物学研究技术，揭示真核生物祖先可能在海姆达尔纲（Heimdallarchaeia）古菌分化之前就已经形成。
华东师范大学河口海岸全国重点实验室2021级海洋生物学专业博士生张家伟（左）为论文唯一第一作者，指导教师董宏坡研究员（右）为论文第一通讯作者
生命起源之争：定位真核生物祖先在古菌内部的分化节点
近年来，多项系统发育分析和基因组功能蛋白研究揭示真核生物核基因组可能从阿斯加德古菌进化而来。但随着阿斯加德古菌多样性的增加，定位真核生物祖先在阿斯加德古菌门内部的分化节点显得尤为重要，因为这关乎到真核生物细胞在地球上首次出现的时间，以及彼时古菌祖先的生活方式。
2023年《自然》发表了瑞典科学家的研究成果，将真核生物在系统发育树上定位到阿斯加德古菌的海姆达尔纲内部，与霍德尔目（Hodarchaeales）互为姐妹群系，但该结果因仅使用未受广泛认可的非核糖体标志蛋白基因集而备受争议。
为此，华东师范大学团队通过整合新组装的223个高质量的阿斯加德古菌基因组和NCBI数据库现存的基因组，构建了一个包含411个阿斯加德古菌基因组的数据集。针对最新的数据集，研究团队重新选取多套标志蛋白，结合系统基因组学方法，以高置信度将真核生物定位到阿斯加德古菌海姆达尔纲之外，与海姆达尔纲互为姐妹。
为使用串联67个标志蛋白构建的最大似然树，显示真核生物（Eukarya）与海姆达尔纲互为姐妹群系。
因何混淆定位？涅尔德古菌含有“嵌合体”
涅尔德古菌因含有较多的类真核蛋白，被认为属于阿斯加德古菌门，但是系统发育分析却发现该古菌目在古菌中的进化地位不稳定，当使用传统核糖体标志蛋白时，该古菌进入TACK超门，与初古菌互为姐妹；但是当使用57个非核糖体蛋白时，它却进入阿斯加德古菌门。更重要的是，当加入真核生物基因组构建发育进化树时，该古菌位置的变化显著影响着真核生物的进化位置。
研究团队敏锐地意识到涅尔德古菌目是解决真核生物在古菌中进化地位的关键所在。
面对这个棘手的问题，研究团队打破常规，采用逆向思维，找到了最关键的解决思路——通过短读长序列回贴、基因组覆盖度分析、序列重叠群聚类和分类谱分析发现涅尔德古菌基因组同时包含阿斯加德古菌及其姐妹超门TACK古菌的序列成分。例如在涅尔德古菌基因组中，大约24-60%的重叠群（Contigs）属于TACK古菌，而仅3-35%的重叠群属于阿斯加德古菌。
研究团队推断，当使用的标志蛋白更多地分布到阿斯加德古菌序列中，则涅尔德古菌进入阿斯加德古菌门，反之，则进入TACK古菌超门。涅尔德古菌含有的嵌合体可能是导致前人将真核生物定位到阿斯加德古菌海姆达尔纲内部的可能原因。
序列重叠群（contigs）分类和基因组覆盖度分析显示涅尔德古菌含有嵌合体
探寻共同祖先，还原生命起源场景
团队在阐明真核生物在阿斯加德古菌中确切位置之后，通过分子定年与祖先代谢重构，推断出阿斯加德古菌与真核生物的最后共同祖先（LAECA）约出现于27.2亿年前（早于大氧化事件），可能是一个使用氢气作为电子供体的厌氧产乙酸古菌。该祖先具有完整的古菌型伍德-隆达尔途径（Wood-Ljungdahl），为其进行依赖氢气进行化能自养生长提供了可能。
此外，该祖先基因组中也编码不完整的有氧呼吸链中的末端氧化酶，可能是通过水平基因转移从兼性好氧的共生菌中获取，并参与低氧条件下的解毒功能。更重要的是，LAECA包含多种对氧气非常敏感的参与细胞关键代谢途径的酶，因此，它们最初可能是在太古宙缺氧的深海环境中进行厌氧生长。
结合上述多方面证据，该研究支持了真核生物的氢起源假说，即真核生物起源于一个依赖氢气的古菌宿主与一个产氢细菌的融合。
关键阿斯加德古菌祖先的代谢功能重建
六年磨一剑，在泥潭中寻找生命起源密码
古菌在普通环境中丰度低、分布不均匀，寻找新的古菌类群难度极大。研究团队在我国红树林自然保护区以及河口盐沼湿地开展了大量宏基因组测序工作，成功组装出众多新型古菌类群。这次研究工作是在积累了6年的阿斯加德古菌基因组上完成的。为获取关键样本，团队曾深夜冒险进入红树林，在蚊虫围攻和泥泞中艰难采样。
科研团队在我国红树林湿地采集沉积物
董宏坡研究员于2018年底进入华东师范大学河口海岸全国重点实验室，开展滨海湿地古菌生物多样性及其环境适应机制研究。董宏坡表示，由于进化树的树型需要最大似然法（ML）和贝叶斯推断法相互验证，而贝叶斯推断法要耗费大量的计算资源，河口海岸全国重点实验室的大型集群发挥了重要作用，为研究快速推进提供了强大的硬件支持。
“认识真核细胞的形成机制对理解生命演化规律、生物多样性、疾病机制乃至地外生命探索均具有深远影响。”研究团队表示，下一步是期待从滨海湿地资源库中寻找更多海姆达尔纲古菌基因组以及富集纯化出这类古菌，开展其生态功能、生理代谢特征等相关研究。
华东师范大学河口海岸全国重点实验室2021级海洋生物学专业博士生张家伟为论文唯一第一作者，指导教师董宏坡研究员为论文第一通讯作者。华东师范大学侯立军研究员为共同通讯作者。华东师范大学刘敏教授和深圳大学李猛教授团队成员为论文的共同作者。华东师范大学河口海岸全国重点实验室为论文第一完成单位。该研究受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。
---延伸阅读: