细胞核从何而来？这一直是一个神秘的问题，人们之所以认为它重要，是因为它带来了一种奇特的生殖方式——“性”，催生了生物界的无比繁荣。对“核”如何起源的问题，人们的思索与探寻已超过了一个世纪，但依然还是个未解之谜 。 一般认为核起源于： 1 ）一个原核细胞的细胞膜内陷，或者 2 ）古菌与真细菌宿主的内共生，或者 3 ）在一个古菌起源的宿主中，当获得线粒体后，包括核膜在内的膜系统的自动起源（ Martin et al. 2015 ）。在各种细胞核起源理论中，“内共生”学说占据着绝对的统治地位，最早可追溯至 Mereschkowsky （ 1905 ）。毋庸置疑， 线粒体和叶绿体通过内共生而来的设想已被越来越多的科学发现所证实，但用同样的套路去设想核的起源，就误入了歧途 。 图 1 原核细胞与真核细胞的比较 Martin 等（ 2015 ）在“ Philosophical Transactions B ”上发表了题为“ Endosymbiotic theories for eukaryote origin ”的综述论文，回顾了在过去的 100 多年期间提出的用来解释真核细胞起源的 20 多种内共生理论（ 图 2 ），包括不少发表在 PNAS 和 Science 上的重磅论文。 Martin 等指出，用内共生理论解释核的起源依然存在很多问题： 它无法解释为何核分室与任何自由生活的细胞在如下几个方面是如此的根本性的不同——（1）生物合成或ATP-驱动的生理（在核分室都缺乏），（2）膜结构（无自由生活的细胞具有类似的包裹方式），（3）通透性（无原核的胞液是通过孔来与环境接触的），(4) 分裂（在真核细胞开放的有丝分裂时，每分裂一次，在表观上与质膜为同系物的核膜的溶解） 。当然，而用于解释质体和线粒体的内共生理论没有这些问题。 图 2 关于细胞核起源的各种模型的示意图。古菌细胞 / 膜用红色表示，真细菌细胞 / 膜用蓝色表示。当细胞的系统身份不清楚或未确定时，用黑膜表示。方括号内的数字表示文献序号（引自： Martin et al. 2015 ） 表 1 各种内共生理论的比较 提出者或文献 概要 对应图 2 的小图 Mereschkowsky Biol. Centralbl. (1910) 核起源自原核细胞（支原体），它被一个类似于真核胞液的阿米巴细胞所吞噬 a Cavalier-Smith, Ann. NY Acad. Sci. (1987), Bioessays (1988), Int. J. Syst. Evol. Microbiol. (2002), Proc. R. Soc. B (2004) 细胞核膜和内质网膜起源自一个原核细胞质膜的内陷。原核细胞最初丢失了细胞壁，因此获得了吞噬食物颗粒的能力。最初附着在质膜上的核糖体因此进入内部，但仍然附着在质膜上，导致了糙面内质网以及核膜的出现 b Gould Dring J. Theor. Biol. (1979) 革兰氏阳性细菌的内生孢子形成导致了核的出现。单个细胞的原生质体，在内生孢子形成过程中，以这样的方式进行分裂，即这个细胞吞噬了它自己的一部分细胞质，这样它就被双层膜所包裹，最后导致了核的起源 c Zillig et al., Endocyt. Cell Res. (1989) Gupta et al. Trends Biochem. Sci. (1996) 真细菌宿主吞噬了一个古菌内共生体，后者转换成了核 d Fuerst Webb, Proc. Natl Acad. Sci. USA (1991) 一个出芽繁殖的淡水真细菌 Gemmata Obscuriglobus （ Planctomyces-Pirella 类群的一员）的 DNA 被观察到被双层膜所包裹，这种组织形式被认为与核类似 e Searcy Hixon Biosystems (1991) 嗜热嗜酸硫代谢古菌缺少坚硬的细胞壁但有一个发达的细胞骨架，这可能是向真核细胞演化的一个初期阶段 f Lake Rivera, Proc. Natl Acad. Sci. USA (1994) 通过细菌吞噬了古菌（ crenarchaeon ）的内共生而导致核的出现 g Martin, Proc. R. Soc. Lond. B (1999) 囊泡模型认为，核起源自一个含有线粒体内共生体的细胞。该模型假设了基因转移以及细菌脂肪的起源在真核内膜系统的起源中的作用，在随后的方案中，它又假设了剪接体的起源和核质区室化起源之间的因果关系 h Moreira Lo′pez-Garcı′a, J. Mol. Evol. (1998), Bioessays (2006) 援引了厌氧共栖的原理（ H 2 - 依赖），假设了在一个捕获了产甲烷古菌的 δ- 变形杆菌团块中出现了一种质膜的融合，之后演化到了核。这种在自由生活的细胞之间的质膜融合现象在细菌中并未观察到，但发生在古菌之间。 i Margulis et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 2000, 2006 螺旋菌和一个没有细胞壁的古菌（最可能是类似于热原体这样的古菌）之间的内共生导致了真核鞭毛和核的产生 j Bell, J. Mol. Evol. (2001) 核起源自病毒（包括痘病毒）和一种包括产甲烷菌在内的古菌互养联合体 k Horiike, J. Mol. Evol. (2004) 核起源自古菌（类似 Pyrococcus ）被 γ- 变形菌吞噬所形成的共生体 l Forterre Gribaldo, Proc. Natl Acad. Sci. USA (2010), Kurland, Science (2006), Penny et al. J. Mol. Evol. (2014) 在原核之前，真核生物（或隐或现它们的核）就已存在被反复提出， Penny 之处，原核（他和 Forterre 有时称之为 ‘ 无核细胞 ’ ）通过 Forterre 的热降低假说（为应对较高的温度从真核祖先向原核祖先的转变）起源自真核细胞 m Field et al. J. Cell Biol. (2011) 最近对细胞骨架感兴趣的学者又重新搬出了 Cavalier-Smith 的自演化（非共生）起源假说，即从一个能够吞噬的、无线粒体的真核细胞（ arche-zoon ）通过点突变导致了一个完全不需要线粒体也能享受其吞噬生活方式但却获得了一个的宿主 n Forterre, Res. Microbiol. (2011) 该学说是内共生假说的一个新变种，它在真核起源中将浮霉菌（ PVC 类群的一员）作为细菌宿主吞噬作为核的奇古菌，接着被反转录病毒和核质的大 DNA 病毒（ NCLDV ）所入侵。在该理论中， PVC 细菌提供真核膜（也为了满足核的形成所需）的通用部件，奇古菌提供信息和操作蛋白、现代真核骨架的前体和囊泡运输系统 o 这些内共生假说（ 表 1 ）的一个基本特征就是 主张“核”是借来的，这些科学家大量的精力都耗费在辩论“谁找谁借” ，证据主要依赖于一些分子的相似性。 “借”终究不是解决问题的办法，因为还得说清楚第一个核是如何出现的问题 。就像生命起源的宇宙胚种论最终还得面对第一个生命如何产生这样的问题。 内共生成核理论的最大悲剧就是它对生命演化历程中基因组急剧增大（ 图 3 ）的事实视而不见： 细菌和古菌的 C 值（单位 pg ）的中位值约在 10 -3 – 10 -2 之间，而真核生物约在 1-10 之间，高约 3 个数量级。试问， 如果两个原核细胞通过吞噬进行共生，能产生如此巨大的基因组差异吗？如果一个真核细胞吞噬一个原核细胞，那真核细胞的核又从何而来呢？ 图 3 根据各类生物的 C 值推测真核生物 DNA 的压缩原理，带箭头的红色虚线表示 C 值中位数的演化轨迹，绿色虚线表示大多数真核生物 C 值的主要分布区间，问号表示该类生物起源的年代仍然存在争议（引自：谢平 2016 ） 在真核细胞的有丝分裂过程中，与组蛋白耦联的 DNA 分子的压缩（ 图 4 ）能力是十分惊人的——高达 8400 倍！ 绝大多数 C 值落于中位数 ± 1.5 个数量级之间。此外，真核细胞略为原核细胞直径的 10 倍。若考虑中位数及其上限偏移，以及细胞直径一个数量级的差异， 基于C值推算的真核生物DNA的平均压缩倍数大约应该是3.5个数量级，这与现代真核生物的DNA压缩比（packing ratio）惊人地一致 ！ 图 4 DNA 压缩成染色体的过程 真核不是借来的，也无处可借。 在大气逐渐氧化的背景下，地球上的生命经历了从简单到复杂的演化历程。这一方面需要骨架蛋白的强化来支撑更大的细胞体积，同时通过个体生存的随机性筛选，细胞内部逐渐结构化，从而形成了复杂的内膜系统——细胞器，被膜包裹的核及其在细胞分裂中的分离方式亦是这种结构化的产物。 核的成型及有丝分裂的出现主要是为了满足将巨大的DNA分子准确地分配到子代中去的需求，这里，如何将长链DNA有效地压缩（借助组蛋白）成若干染色体以及如何将多个染色体同时分离（借助纺锤体）是核演化的关键， 细胞内膜系统（模块化）就是为了实现对复杂生化系统进行秩序化管控 （压缩与结构化假说） 。 图 5 地球历史演化中，大气含氧量的变化以及各类生物的出现时期（引自 DePaolo et al. 2008 ） DNA 的压缩是如何吻合原核细胞基因组的大型化? 这可能是未来核起源研究的重点。原核细胞基因组大型化可能得益于 DNA 的复制错误或多倍化并在一定程度上叠加了不同种类之间的各种侧向基因转移方式以及内共生融合（ endosymbiotic fusion ）等。 DNA 压缩机制的成型也就宣告了真核细胞的诞生 ，这虽具有一定的随机性，但是一种以秩序化管控为目的的结构化产物（当然是通过生存的筛选），绝不可能缘于什么“内共生”。 真正的“核“借不来，细胞核演化必须走出“内共生”的怪圈，因为这是一条死胡同！ 主要参考： 1) MereschkowskyC. 1905 U¨ber Natur und Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche. Biol.Centralbl. 25, 593–604. 2) FuerstJA, Webb RI. 1991 Membrane-bounded nucleoid in the eubacterium Gemmataobscuriglobus. Proc.Natl Acad. Sci. USA 88, 8184–8188 3) MargulisL, Dolan MF, Guerro R. 2000 The chimeric eukaryote: Origin of the nucleus fromthe karyomastigont in amitochondriate protists. Proc. Natl Acad. Sci. USA 97,6954–6959 4) MargulisL, Chapman M, Guerrero R, Hall J. 2006 The last eukaryotic common ancestor(LECA): acquisition of cytoskeletal motility from aerotolerant spirochetes inthe Proterozoic Eon. Proc. Natl Acad. Sci. USA 103, 13 080–13 085. 5) KurlandCG, Collins LJ, Penny D. 2006 Genomics and the irreducible nature of eukaryotecells. Science 312, 1011–1014 6) ForterreP, Gribaldo S. 2010 Bacteria with a eukaryotic touch: a glimpse of ancientevolution? Proc.Natl Acad. Sci. USA 107, 12739–12740 7) MartinWF, Garg S, Zimorski V. 2015 Endosymbiotic theories for eukaryote origin. Phil.Trans. R. Soc. B 370: 20140330 8) 谢平 .2016. 进化理论之审读与重塑 . 北京：科学出版社
影响基因组大小的因素 熊荣川 译 基因组大小（ C 值，每个单倍体基因组 DNA 的皮克 pg 数）在真核生物中，最大值和最小值相差 200000 倍多，在动物界中相差 3000 多倍。绝大多数的真核生物 DNA 都是非编码的，暗示大的基因组不一定就有更多数量的基因 ( Gregory, 2004 ) 。大量非编码 DNA 的存在提出了一些关于与生物表型影响和基因组大小变化进化起源有关的问题，如“ C 悖论” ( Gregory, 2001a ) 。基因组大小的演化经历了一个增加和减少的平衡，即由于可转移元件复制、插入导致基因组变大以及由于缺失及 DNA 修复机制而导致的基因组变小；另外，为了抵抗巨大缺失基因组也可能会容忍自身的增大 ( Petrov, 2001 ) 。基因组大小变化的进化原因和结果还没有定论 ( Gregory et al., 1999 ; Petrov, 2001 ) 。因为基因组的大小和蛋白质编码基因没有相关性，因此通常认为基因组中沉默基因（假基因）及自私的寄生元件的数量差异导致了基因组大小的不同 (Ohno 1972; Pagel et al., 1992) 。在一些生物中，基因组大小和细胞体积及细胞分裂速率呈正相关 ( Gregory, 2001a ) 。在高等分类阶元中，和基因组大小相关的因子更复杂，随着所研究的类群的不同而不同。在哺乳动物和鸟类中，新城代谢因素较为重要 ( Gregory, 2002a ) ；在两栖动物中则不然 ( Licht et al., 1991 ; GREGORY, 2003 ) ，其基因组大小和发育速率、发育器官及发育的复杂性有一定的相关性，而在哺乳动物和鸟类中则没有这样的相关性 ( Gregory, 2002b ) 。 关键词： C 值 基因组大小 原文： Genome size (C value, picograms of DNA per haploid genome) varies more than 200 000 fold among eukaryotes and 3000 fold among animals. Most eukaryotic DNA is noncoding,which implies that a large genome does not imply a large number of genes (Gregory 2004). The existence of large quantities of noncoding DNA raises several questions in relation to effects on the organismal phenotype and to evolutionary origin of variation in genome size, i.e., the “C value enigma” (see Gregory 2001 a ). Genome size evolves through a balance between duplication and insertion of transposable elements, which increase C values, and deletions and DNA repair mechanisms, which might decrease the C value or allow it to increase when preventing large deletion errors (Petrov 2001). The origins and the evolutionary consequences of variation in genome size continue to be debated (Gregory and Hebert 1999; Petrov 2001). Because genome size and the number of protein-coding genes are unrelated, it has been established that variation in genome size results primarily from variation in the amount of silenced genes (pseudogenes) and selfish parasitic elements (Ohno 1972; Pagel and Johnstone 1992). Genome size is positively related to cell volume and cell division rate in several groups of organisms (Gregory 2001 a ). At high taxonomic levels, the relationships seem to be more complex and highly dependent on the biology of the studied group. Metabolism is important in mammals and birds (Gregory 2002 a ), but not in amphibians (Licht and Lowcock 1991; Gregory 2003), and developmental rate and organ or developmental complexity are relevant in amphibians, but not in mammals and birds (Gregory 2002 b ). Key words: C value, genome size. 参考文献： Genome size is not related to life-history traits in primates.pdf Gregory T. (2001a). "Coincidence, coevolution, or causation? DNA content, cellsize, and the C\value enigma." Biological Reviews 76 (1): 65-101. GREGORY T. (2003). "Variation across amphibian species in the size of the nuclear genome supports a pluralistic, hierarchical approach to the C-value enigma." Biological Journal of the Linnean Society 79 (2): 329-339. Gregory T.R. (2002a). "A bird's-eye view of the C-value enigma: genome size, cell size, and metabolic rate in the class Aves." Evolution 56 (1): 121-130. Gregory T.R. (2002b). "Genome size and developmental parameters in the homeothermic vertebrates." Genome 45 (5): 833-838. Gregory T.R. (2004). "Macroevolution, hierarchy theory, and the C-value enigma." Paleobiology 30 (2): 179. Gregory T.R.,Hebert P.D.N. (1999). "The modulation of DNA content: proximate causes and ultimate consequences." Genome research 9 (4): 317. Licht L.E.,Lowcock L.A. (1991). "Genome size and metabolic rate in salamanders." Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Comparative Biochemistry 100 (1): 83-92. Petrov D.A. (2001). "Evolution of genome size: new approaches to an old problem." Trends in Genetics 17 (1): 23-28.
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