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一个基于宏演化证据的真核生物起源新理论——DNA压缩假说(The DNA Packing Hypothesis) 精选

已有 2124 次阅读 2023-12-7 07:50 |系统分类:科普集锦

尽管细胞核的发现已经过去了近两个世纪,但细胞核的起源仍然是生命科学的未解之谜。真核生成(真核细胞的基本特征在最终产生当今所有真核生物的世系中发展的整个过程)长期以来一直是进化生物学家非常感兴趣的问题,已提出了多种假说(如各种共生模型、自生假说和外膜假说、以及病毒性真核生物起源假说)。迄今为止,对真核生成的研究主要集中在微观进化的解释上,缺乏宏观的演化机制

基因组大小的稳态转化

本研究收集了110,431个物种(包括细菌、古菌、真菌、植物和动物)的C值(单倍体细胞核中所含DNA的数量,以皮克为单位)以及11,792个物种的染色体(由各种压缩蛋白和伴侣蛋白辅助的DNA分子的复杂线性组织)数据。每条染色体都包含有机体的部分或全部遗传物质。在细胞中,有机体的基因组复杂化和结构化(如染色质压缩)很可能是不可分割的过程,这或许是当C值达到临界值之后真核生物才出现的原因(1)。

本研究利用生态学中的势能景观模型Potential Landscape Model)来推断染色体数量在不同C值下的多态性。这种方法假设了随机系统具有势能函数:

dz = −U′(z)dt +σdW

其中,z代表状态变量(此处为染色体大小),U(z)代表势能函数,σ代表噪声水平,dW为噪声项。系统的平衡点通过势能景观的局部极大(对应不稳定平衡点)和局部极小(稳定平衡点)推断。在1B中,红色曲线代表推断出的稳定平衡点,圆圈代表不稳定平衡点。

C值和染色体数量的网络来源如下。细菌和古菌:https://img.jgi.doe.gov/;真菌:http://www.zbi.ee/fungal-genomesize/;植物:https://cvalues.science.kew.org/;动物:http://www.genomesize.com

原核生物和真核生物的C值中位数差异很大(P<0.001),最低的是古菌(log10(C)=-2.76)和细菌(-2.41)(低C值组,LC组),中间的是真菌(-1.38)(中C值组,MC组),最高的是动物(0.16)和植物(0.23)(高C值组,HC组)(1A)。


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1. 地球上基因组大小(C值)的宏观模式和演化 (A) 随地质年代变化的各界C值分布和大气氧浓度百分比(pO2)。据估计,古菌的首次出现时间约为37.7 亿年前1,蓝细菌为35亿年前2,真菌为15亿年前3,植物为12亿年前4,动物为7亿年前5(B) C值与染色体数量的关系以及基于势能景观模型的拟合线。各界之后的数据显示了染色体数量的相应中值(最小值、最大值)。

 

有趣的是,原核生物(包括细菌和古菌)的C值分布显示出高值端严重拥挤的迹象,而低值端和三个真核生物界的两端则比较分散(1A)。这表明原核生物的C值上限存在明显的障碍,即只有超过C值的临界值才能从原核生物转向真核生物。如果取原核生物高值端的最高5%值,则原核生物向真核生物转化的C值临界值可定义为-2.15 ~ -1.78 (log10x)

染色体数量与C值之间的关系呈S形(1B)。势能景观模型的检验结果表明,真菌和细菌(以蓝细菌为代表,即已报道染色体数量的类群)处于低值组,而植物和动物则处于高值组。这表明,从低值组向高值组的过渡是一种稳态转化。

驱动真核起源的潜在力量

根据各生物界首次出现的估计时间1-3,5,低值组对应于低pO2时期,中值组对应于中pO2时期,即第一次大氧化事件(24亿年前)之后很久,而高值组则对应于第二次大氧化事件(5-8亿年前)之前或期间。地球生命的起源(38.5亿年前)和第一个真核生物的出现(16-21亿年前)至少有17.5亿年的时间差。然而,真菌和植物之间的时间差仅为3亿年3,4,而植物和动物的时间差仅为5亿年4,5,这显示出大气氧化作用在促进生物多样化和基因组增大、进而促进物种形成方面的关键作用(图1A)。我们的观点得到了通过获得线粒体来产生能量才能实现真核生成这一观点的支持。

真核起源的新假说

这里提出“DNA压缩假说,即真核形成可能是由染色质压缩形成的,以适应由氧化驱动的复杂化和结构化(如)引起的基因组大小稳态转化,第一个真核细胞出现于基因组大小的突然增加并越过临界阈值之后(1B)。首先,大气氧化为基因组复杂化提供了能量基础;第二,原核生物的基因组大小存在上限,表明无法支撑更复杂的生命过程;第三,核膜的形成和染色体数量的增加使复杂的生化系统能够随着基因组复杂性的增加而得到有序的管理和控制;第四,一些蛋白质实现了新功能化,有助于高效的染色质压缩。原核生物中的相关压缩蛋白主要是简单的核仁蛋白,而真核生物中则有各种复杂的压缩蛋白(如组蛋白、黏连蛋白等)。因此,真核生物的染色体高度浓缩,并以更有序的方式连接起来,以确保基因组适合于细胞核内部的狭小空间。例如,将未卷曲的DNA长度与处于分裂期的染色体长度相比,人类的染色体压缩比高达10,000:1;根据染色体的长度及其基因组含量,某些植物物种的这一比值更是高达60,400,真菌甚至超过65,600


结论:在跨越从原核到真核的鸿沟时发生了基因组大小的稳态转化,并伴随着大气氧化作用的增强所驱动的基因组复杂化和结构化(尤其是染色质压缩),这很可能是与微观进化的自然选择作用共同完成的漫长真核生成过程的关键宏观进化力量。因此,真核很可能是在适应大气氧化迅速增加的背景下宏观和微观进化共同作用的产物。真核生成伴随了基因组大小从原核细胞到真核细胞超过2.5个数量级的跳跃式增长,这表明偶然的内共生是无法产生细胞核的。换句话说,只有当细胞核的进化经历了一个漫长的复杂化和结构化的连续过程时,真核生物的基因组复杂性才会大大增加。未来的研究应进一步整合多学科证据,以更详细地揭示不同进化水平的过程是如何协同互动,以序列、渐进及分级式的方式完成了真核生成这一伟大创举的。

 

致谢:本研究得到中国科学院战略先导计划B的资助(XDB31000000

 

参考文献

1.    Dodd, M.S., Papineau, D., Grenne, T., et al. (2017). Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates. Nature 543, 60–64.

2.     Schopf, J.W. (2006). Fossil evidence of Archaean life. Philos Trans R Soc B Biol Sci. 361, 869-885.

3.     Martin, W., Rotte, C., Hoffmeister, M., et al. (2003). Early cell evolution, eukaryotes, anoxia, sulfide, oxygen, fungi first (?), and a tree of genomes revisited. IUBMB Life. 55, 193–204.

4.    Catt, J.A., Retallack, G.J., and Chaloner, W.G. (1985). Fossil soils as grounds for interpreting the advent of large plants and animals on land: discussion. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 309, 140–142.

5.     Valentine, J.W. (1978). The evolution of multicellular plants and animals. Sci Am. 239, 140–158.

 

本文内容来自国际顶尖综合性期刊 The Innovation(IF=33.1)姊妹刊The Innovation Life第1卷第3期以Out-of-the Box发表的“The DNA Packing Hypothesis for the mysterious eukaryogenesis”https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-life.2023.100031

本文引用方式:Wang H., Zhao X., Xu C., et al., (2023). The DNA Packing Hypothesis for the mysterious eukaryogenesis. The Innovation Life 1(3), 100031.

 原文下载:Wang et al. (The Innovation Life 2023).pdf


几种流行的真核细胞起源假说简介

共生起源假说认为,古菌与细菌共生导致了含细胞核的真核细胞的诞生(Margulis L 1981Hogan 2010)。但是,古菌与细菌均无细胞核。

自演化假说认为原真核细胞直接自细菌演化而来,并不需要通过内共生(Fuerst 2005)。但是,这一模型并未进一步解释核实如何形成的。

外膜假说认为,细胞核是起源自演化出第二层外细胞膜的单个早期细胞,而包裹原来细胞的内膜则转变成了核膜,并逐渐演化出精巧的核孔结构,以便于将内部合成的物质送出核外(de Roos 2006)。

病毒性真核生物起源假说认为,病毒感染原核生物导致了膜结合的细胞核与其他真核生物特征的产生(Villarreal and DeFilippis 2000Takemura 2001Bell 2001)。

参考文献:

Bell P J. (2001) Viral eukaryogenesis: was the ancestor of the nucleus a complex DNA virus? Journal of Molecular Evolution, 53, 251-256.

de Roos A D (2006) The origin of the eukaryotic cell based on conservation of existing interfaces. Aartificial Life, 12, 513-523.

Fuerst JA (2005) Intracellular compartmentation in planctomycetes. Annual Review of Microbiology, 59, 299-328.

Hogan CM (2010) Archaea. In: Monosson E, Cleveland C.(eds.) Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment, Washington DC.

Margulis L (1981) Symbiosis in Cell Evolution. San Francisco: W. H. Freeman and Company, pp. 206-227.

Takemura M (2001) Poxviruses and the origin of the eukaryotic nucleus. Journal of Molecular Evolution, 52, 419-442.

Villarreal L, DeFilippis V (2000) A hypothesis for DNA viruses as the origin of eukaryotic replication proteins. Journal of Virology, 74, 7079-7084.



https://m.sciencenet.cn/blog-1475614-1412776.html

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