单细胞如何进化成复杂生命?这个过渡期非常不简单

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  科学家们可能发现了单细胞和复杂细胞之间缺少的联系,这些细胞构成了所有的动物、植物和真菌。科学家认为,被称为古生菌的单细胞生物介于原始细菌(缺乏细胞核)和进化时间线上更复杂的细胞或真核生物之间。像它们的细菌表亲一样,古生菌没有细胞核,但微生物含有与真核生物非常相似的DNA和DNA复制酶。一些科学家推测,真核生物大约在20亿年前从这些中间有机体进化而来,当时一种古老的古菌抓住了经过的微生物,将其吸进其细胞腹部,并将其转化为临时细胞核。

  

  另一些科学家认为,古菌释放出了游荡的“气泡”,这些气泡是由它自己的细胞壁建造而成,它附着在并整合了有用的单细胞有机体,其功能类似于现代的细胞器,或者是细胞内执行特殊功能的类似器官结构。围绕这一重大进化事件的细节仍然模糊不清,部分原因是科学家们几乎没有发现单细胞和复杂细胞之间过渡期的证据。但现在,研究人员已经确定了原核生物和真核生物之间的潜在桥梁:它们蛋白质编码具有惊人的相似性。在真核生物中,某些蛋白质携带短序列,称为核定位信号或NLSS,以便进入细胞核。

  

  转运蛋白与NLSS结合,然后护送另一个分子通过核膜上的孔,本质上,NLSS的作用就像一个蜂窝安全徽章。在发表在《分子生物学与进化》(Molecular Biology and Evolution)期刊上的研究表明,虽然古细菌没有细胞核,但它们的一些蛋白质都带有类似nls徽章。NLSs早于细胞核的起源,可能是进化的基础,使古生菌能够逐渐进化成复杂的生命。耶鲁大学的进化生物学家、该研究的合著者、博士后研究员谢尔盖·梅尔尼科夫(Sergey Melnikov)说:大自然倾向于从它已经拥有的东西中创造。

  

  这些NLS徽章提供了单细胞和复杂细胞之间过渡期的证据——这一发现相当于古生物学家发现了鸟类恐龙或爬行鱼类。这是一个非常独特研究发现,这些存在于古细菌…甚至没有人认为他们应该在古细菌中寻找NLSs。但并不是所有科学家都相信这一点:NLSs可能不是证明单细胞进化成更复杂细胞的确凿证据。科学家们没有挖掘骨骼残骸,而是继续挖掘细胞的核糖体蛋白,以拼接它们的进化史(核糖体是帮助组装蛋白质的细胞工厂)。只有少数基因无处不在的,这意味着它们存在于所有的生命形式中。

  挖掘细胞化石

  大约一半的保守基因编码核糖体蛋白,这一事实表明,这些蛋白质具有漫长的进化遗产,可能可以追溯到生命本身的起源。在真核生物中,核糖体蛋白进入细胞核进行修饰,然后在细胞质中建立车间;由于NLSS,它们很容易进入细胞核。通过比较从古生菌、细菌和真核生物三类生命取样的核糖体蛋白结构,找出这些特征序列。研究的古生菌群就是今天可以在自然界中找到的类群之一。研究人员发现了四种古菌蛋白,它们有与真核生物相似的NLSS。类似NLS的序列出现在古生菌的多个群中,因此研究人员推断该特征在古生物进化史中很早就出现了。

  

  然而,在古细菌中,NLS可能主要帮助有机体更容易地识别核酸,DNA和RNA的构建块。虽然真核生物NLSS也具有这一功能,但它们更为人所知的是帮助蛋白质进入细胞核。研究团队继续测试NLSS是否可以跨生命王国在功能上互换,将一个真核NLSS换成一个古菌NLSS。在光学显微镜下,古生菌NLSS似乎像真核生物NLSS一样工作,并允许其相关蛋白VIP进入细胞核。专家说,尽管具有相同的功能,但真核生物和古生菌中的NLSS可能在进化上并不相关,例如,Iyer仍然对这一发现持怀疑态度。

  

  NLSS仅由五到六个蛋白质构建块组成,称为氨基酸。由于短长度和特殊的化学结构,NLSS在统计上很可能出现在蛋白质中,纯属偶然。换句话说,古菌和真核生物序列可能是独立出现的,因此在进化上不会相关。如果进一步的研究发现古生菌NLSS存在于其他蛋白质中,这些蛋白质类似于真核生物中进入细胞核的蛋白质,会更有说服力。最终,这只是表明这些[类NLS]序列可能先于细胞核,与现代真核生物有许多遗传相似之处的古菌仍然缺乏细胞核和细胞器,所以很难看到这些NLSS是如何促使细胞核进化的。

  博科园|文:Nicoletta Lanese/Live Science

  参考期刊《分子生物学与进化》

  DOI: 10.1093/molbev/msz207

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