摘要：研究針對真核生物起源過程中細胞器獲得順序的爭議，通過松弛分子鐘技術對前LECA（最后真核生物共同祖先）基因復制事件進行系統(tǒng)定年。
生命史上最偉大的細胞革命——真核生物的起源，至今仍是演化生物學中懸而未決的核心謎題。當前關于真核化過程（eukaryogenesis）的假說，其根本分歧在于線粒體內(nèi)共生與其他真核特征獲得的時間順序。由于缺乏代表中間階段的現(xiàn)存生物類群，驗證這些假說面臨巨大挑戰(zhàn)。然而，真核細胞功能的實現(xiàn)依賴于真核化過程中基因復制事件產(chǎn)生的新基因，這些復制事件的時間線可為揭示真核細胞組裝序列提供關鍵線索。
近日發(fā)表于《Nature》的研究通過松弛分子鐘（relaxed molecular clock）技術，首次系統(tǒng)構建了真核生物關鍵特征演化的時間軸。研究表明，真核化過程跨越中太古代至古元古代晚期（Mesoarchaean to late Palaeoproterozoic）。更重要的是，宿主古菌細胞在線粒體內(nèi)共生前已具備復雜細胞特征，包括精細細胞骨架、膜運輸系統(tǒng)、內(nèi)膜系統(tǒng)、吞噬裝置和細胞核等結構，這些特征在30-22.5億年間逐步形成，而線粒體內(nèi)共生發(fā)生于此后。這一發(fā)現(xiàn)有力駁斥了“線粒體早出”假說，支持了“復雜化古菌-晚出線粒體”（complexified-archaean, late-mitochondrion）的真核化路徑。
圖1 基于年代的基因復制事件揭示了真核生物的進化組裝過程
研究團隊采用層次式貝葉斯方法，首先構建包含代表性真核生物、細菌和古菌的62個標記基因串聯(lián)序列，通過18個化石標定點建立物種樹時間框架。進而利用MCMCTree軟件對135個前LECA基因復制事件進行定年分析，其中95個為古菌起源，40個為細菌起源。關鍵技術包括：基于隱馬爾可夫模型（HMM）的基因家族篩選、最大似然法構建基因樹、以及將物種樹節(jié)點年齡作為先驗約束應用于單基因樹定年。
細胞骨架的演化軌跡
真核細胞從Asgard古菌祖先繼承了兩類細胞骨架蛋白——肌動蛋白（actin）和微管蛋白（tubulin）。研究顯示，肌動蛋白家族從約28億年前開始復制，其中ARP2和ARP3（負責分支狀肌動蛋白絲形成）分別于29-24.7億年和27.2-20.6億年出現(xiàn)，表明吞噬作用所需的核心機制在線粒體內(nèi)共生前已建立。微管蛋白家族在28-22億年間擴張，γ-微管蛋白（28.4-24.1億年）和δ/ε-微管蛋白（27.5-22.5億年）的早期分化提示微管組織中心（MTOC）在27億年前已形成。
內(nèi)膜系統(tǒng)的組裝順序
內(nèi)膜系統(tǒng)各區(qū)的演化存在明顯時間梯度：內(nèi)質網(wǎng)-高爾基體-質膜區(qū)室的運輸相關基因（如STX5、RAB19/30/33、TRAPPC3等）復制最早（30-25.4億年），而內(nèi)吞體-溶酶體-自噬體相關基因（如STX7/12、RAB7/9等）復制較晚（27.4-20.4億年）。這表明內(nèi)膜系統(tǒng)的構建遵循“由內(nèi)向外”的模式，代謝核心區(qū)室先于消化區(qū)室形成。
核區(qū)室化的關鍵證據(jù)
剪接體Sm-LSm復合物（28.7-18.7億年）和RNA聚合酶I/II/III（29.1-23.4億年）的復制時間表明，轉錄與翻譯的空間分離機制在線粒體內(nèi)共生前已初步建立。多個核定位蛋白（如NHP2、ACTL6等）的復制事件集中于28.6-20.8億年，持續(xù)推動核結構的完善。
線粒體整合的時間窗口
α-變形菌來源基因的復制爆發(fā)始于22億年左右，包括線粒體蛋白導入系統(tǒng)（TIM14、TIM44等）和代謝酶（DHTKD1、OGDH）等。同時，古菌來源基因中產(chǎn)生線粒體靶向旁系同源物（如ATAD1、TOP3A等）的復制事件集中于26.5-18.3億年，共同印證了內(nèi)共生后基因功能特化的過程。
圖2 通過原核生物起源構建的時間尺度物種樹與基因復制事件
研究結論揭示，真核化過程始于中太古代與古菌親屬的分化，經(jīng)歷早元古代早期的線粒體內(nèi)共生，最終在晚元古代形成LECA。宿主古菌在先已具備分支細胞骨架、區(qū)室化內(nèi)膜系統(tǒng)和原始細胞核等復雜特征，表明真核復雜性演化并非依賴線粒體供能，而是古菌宿主自身演化的延續(xù)。該時間軸與地球氧化事件（GOE）相耦合，支持在漫長缺氧海洋環(huán)境中通過互養(yǎng)關系（syntrophy）驅動內(nèi)共生的假說。
這項研究通過基因復制定年技術突破了真核起源研究的時空限制，為理解細胞復雜性演化提供了定量框架。所提出的CALM（complexified archaeon, late-mitochondrion）模型整合了多組學證據(jù)與地質記錄，為探索生命演化史上的關鍵躍遷樹立了新范式。
參考資料
[1] Dated gene duplications elucidate the evolutionary assembly of eukaryotes
摘要：研究針對真核生物起源過程中細胞器獲得順序的爭議，通過松弛分子鐘技術對前LECA（最后真核生物共同祖先）基因復制事件進行系統(tǒng)定年。
生命史上最偉大的細胞革命——真核生物的起源，至今仍是演化生物學中懸而未決的核心謎題。當前關于真核化過程（eukaryogenesis）的假說，其根本分歧在于線粒體內(nèi)共生與其他真核特征獲得的時間順序。由于缺乏代表中間階段的現(xiàn)存生物類群，驗證這些假說面臨巨大挑戰(zhàn)。然而，真核細胞功能的實現(xiàn)依賴于真核化過程中基因復制事件產(chǎn)生的新基因，這些復制事件的時間線可為揭示真核細胞組裝序列提供關鍵線索。
近日發(fā)表于《Nature》的研究通過松弛分子鐘（relaxed molecular clock）技術，首次系統(tǒng)構建了真核生物關鍵特征演化的時間軸。研究表明，真核化過程跨越中太古代至古元古代晚期（Mesoarchaean to late Palaeoproterozoic）。更重要的是，宿主古菌細胞在線粒體內(nèi)共生前已具備復雜細胞特征，包括精細細胞骨架、膜運輸系統(tǒng)、內(nèi)膜系統(tǒng)、吞噬裝置和細胞核等結構，這些特征在30-22.5億年間逐步形成，而線粒體內(nèi)共生發(fā)生于此后。這一發(fā)現(xiàn)有力駁斥了“線粒體早出”假說，支持了“復雜化古菌-晚出線粒體”（complexified-archaean, late-mitochondrion）的真核化路徑。
圖1 基于年代的基因復制事件揭示了真核生物的進化組裝過程
研究團隊采用層次式貝葉斯方法，首先構建包含代表性真核生物、細菌和古菌的62個標記基因串聯(lián)序列，通過18個化石標定點建立物種樹時間框架。進而利用MCMCTree軟件對135個前LECA基因復制事件進行定年分析，其中95個為古菌起源，40個為細菌起源。關鍵技術包括：基于隱馬爾可夫模型（HMM）的基因家族篩選、最大似然法構建基因樹、以及將物種樹節(jié)點年齡作為先驗約束應用于單基因樹定年。
細胞骨架的演化軌跡
真核細胞從Asgard古菌祖先繼承了兩類細胞骨架蛋白——肌動蛋白（actin）和微管蛋白（tubulin）。研究顯示，肌動蛋白家族從約28億年前開始復制，其中ARP2和ARP3（負責分支狀肌動蛋白絲形成）分別于29-24.7億年和27.2-20.6億年出現(xiàn)，表明吞噬作用所需的核心機制在線粒體內(nèi)共生前已建立。微管蛋白家族在28-22億年間擴張，γ-微管蛋白（28.4-24.1億年）和δ/ε-微管蛋白（27.5-22.5億年）的早期分化提示微管組織中心（MTOC）在27億年前已形成。
內(nèi)膜系統(tǒng)的組裝順序
內(nèi)膜系統(tǒng)各區(qū)的演化存在明顯時間梯度：內(nèi)質網(wǎng)-高爾基體-質膜區(qū)室的運輸相關基因（如STX5、RAB19/30/33、TRAPPC3等）復制最早（30-25.4億年），而內(nèi)吞體-溶酶體-自噬體相關基因（如STX7/12、RAB7/9等）復制較晚（27.4-20.4億年）。這表明內(nèi)膜系統(tǒng)的構建遵循“由內(nèi)向外”的模式，代謝核心區(qū)室先于消化區(qū)室形成。
核區(qū)室化的關鍵證據(jù)
剪接體Sm-LSm復合物（28.7-18.7億年）和RNA聚合酶I/II/III（29.1-23.4億年）的復制時間表明，轉錄與翻譯的空間分離機制在線粒體內(nèi)共生前已初步建立。多個核定位蛋白（如NHP2、ACTL6等）的復制事件集中于28.6-20.8億年，持續(xù)推動核結構的完善。
線粒體整合的時間窗口
α-變形菌來源基因的復制爆發(fā)始于22億年左右，包括線粒體蛋白導入系統(tǒng)（TIM14、TIM44等）和代謝酶（DHTKD1、OGDH）等。同時，古菌來源基因中產(chǎn)生線粒體靶向旁系同源物（如ATAD1、TOP3A等）的復制事件集中于26.5-18.3億年，共同印證了內(nèi)共生后基因功能特化的過程。
圖2 通過原核生物起源構建的時間尺度物種樹與基因復制事件
研究結論揭示，真核化過程始于中太古代與古菌親屬的分化，經(jīng)歷早元古代早期的線粒體內(nèi)共生，最終在晚元古代形成LECA。宿主古菌在先已具備分支細胞骨架、區(qū)室化內(nèi)膜系統(tǒng)和原始細胞核等復雜特征，表明真核復雜性演化并非依賴線粒體供能，而是古菌宿主自身演化的延續(xù)。該時間軸與地球氧化事件（GOE）相耦合，支持在漫長缺氧海洋環(huán)境中通過互養(yǎng)關系（syntrophy）驅動內(nèi)共生的假說。
這項研究通過基因復制定年技術突破了真核起源研究的時空限制，為理解細胞復雜性演化提供了定量框架。所提出的CALM（complexified archaeon, late-mitochondrion）模型整合了多組學證據(jù)與地質記錄，為探索生命演化史上的關鍵躍遷樹立了新范式。
參考資料
[1] Dated gene duplications elucidate the evolutionary assembly of eukaryotes
