Asgardarchaeon中的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)

Asgardarchaea被認(rèn)為是真核生物已知的最近親屬。他們的基因組包含數(shù)百種真核生物特征蛋白(ESP)，這激發(fā)了關(guān)于真核細(xì)胞進(jìn)化的假說(shuō)1,2,3。ESP在精細(xì)細(xì)胞骨架和復(fù)雜細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形成中的作用已被假定4,5,6，但從未可視化。在這里，我們描述了一種高度豐富的“CandidatusLokiarchaeumossiferum”培養(yǎng)物，它是Asgard門的成員，在20°C的有機(jī)碳源下厭氧生長(zhǎng)。它每7–14天分裂一次，細(xì)胞密度高達(dá)5×107每毫升細(xì)胞數(shù)，并且與以前培養(yǎng)的單一Asgard菌株7相比，具有明顯更大的基因組。ESP占其蛋白質(zhì)編碼基因的5%，包括四種肌動(dòng)蛋白同系物。我們使用冷凍電子斷層掃描對(duì)富集培養(yǎng)物進(jìn)行成像，識(shí)別'Ca.L.ossiferum的細(xì)胞基于其核糖體的特征性擴(kuò)增片段。細(xì)胞表現(xiàn)出球形細(xì)胞體和具有頻繁收縮的分支突起網(wǎng)絡(luò)。細(xì)胞包膜由單一的膜和復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)組成。遠(yuǎn)程細(xì)胞骨架延伸到整個(gè)細(xì)胞體、突起和收縮區(qū)。細(xì)絲的扭曲雙鏈結(jié)構(gòu)與F-肌動(dòng)蛋白一致。免疫染色表明，這些細(xì)絲包含Lokiactin——Asgard古細(xì)菌中最高度保守的ESP之一。我們提出，一個(gè)復(fù)雜的基于肌動(dòng)蛋白的細(xì)胞骨架早于第一個(gè)真核生物的出現(xiàn)，并且是仙宮門進(jìn)化的一個(gè)關(guān)鍵特征，它通過(guò)搭建復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

主要的

在發(fā)現(xiàn)古細(xì)菌作為除細(xì)菌之外的一個(gè)獨(dú)立譜系后不久，分子和系統(tǒng)發(fā)育研究表明，古細(xì)菌和真核生物之間存在深刻的共同進(jìn)化血統(tǒng)8、9。然而，直到最近才在宏基因組分析中發(fā)現(xiàn)第一個(gè)Lokiarchaeota10(現(xiàn)為L(zhǎng)okiarchaeia11)和更廣泛的Asgardarchaeota超門1,2,11,12,13,14,15,16,17證實(shí)了一種獨(dú)特的關(guān)系，以及真核細(xì)胞可能直接從古細(xì)菌中出現(xiàn)。事實(shí)上，真核生物形成Asgardarchaeota的直接姐妹群，甚至在大多數(shù)系統(tǒng)基因組分析中出現(xiàn)在Asgardarchaeota中3,10,18。

令人信服的是，Asgardarchaea的所有成員都攜帶了廣泛的基因庫(kù)，這些基因最初被認(rèn)為是真核生物(ESP)所獨(dú)有的1、2、3、10、19、20。這些ESP主要與高度復(fù)雜的細(xì)胞特征相關(guān)，例如細(xì)胞骨架的形成、運(yùn)輸和膜的成形。例如，觀察到Asgard古細(xì)菌基因組編碼一個(gè)完整的功能性泛素偶聯(lián)ESCRT系統(tǒng)10,21表明有可能精心設(shè)計(jì)細(xì)胞內(nèi)膜隔室10.另一個(gè)值得注意的例子是編碼真核肌動(dòng)蛋白的幾個(gè)密切同源物的基因。雖然已在其他古細(xì)菌22、23中鑒定出F-肌動(dòng)蛋白樣組裝體，但Asgard古細(xì)菌也具有肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白(ARP)以及肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白。值得注意的是，Asgardprofilins和凝溶膠蛋白被發(fā)現(xiàn)能夠調(diào)節(jié)真核肌動(dòng)蛋白的動(dòng)力學(xué)5,19,24,25,26，表明存在復(fù)雜且動(dòng)態(tài)的細(xì)胞骨架4。然而，古細(xì)菌肌動(dòng)蛋白的原位結(jié)構(gòu)和功能仍不清楚。

一項(xiàng)開創(chuàng)性研究7展示了Asgard古細(xì)菌“CandidatusPrometheoarchaeumsyntrophicum”的首次富集培養(yǎng)，它在具有分子氫消耗生物體的營(yíng)養(yǎng)聯(lián)合體中緩慢生長(zhǎng)至低細(xì)胞密度。作為'鈣。P.syntrophicum'細(xì)胞顯示長(zhǎng)分支突起，作者提出了真核發(fā)生假說(shuō)，其中原始Asgard古菌與細(xì)菌內(nèi)共生體的前身密切相互作用并最終將其內(nèi)生化7,27。這些觀察結(jié)果與最初作為“由內(nèi)而外”模型提出的真核發(fā)生的逐步機(jī)制一致28.到目前為止，AsgardESP的作用無(wú)法在自然宿主中進(jìn)行研究，因此很難進(jìn)一步測(cè)試這些概念模型。雖然'Ca。P.syntrophicum'被證明可以轉(zhuǎn)錄ESP，但無(wú)法揭示其細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的特征。關(guān)于Asgard古細(xì)菌中細(xì)胞骨架或內(nèi)部區(qū)室化存在的基本問(wèn)題仍不清楚，細(xì)胞包膜的結(jié)構(gòu)也是如此。在這里，我們將實(shí)驗(yàn)上易于處理的Asgard古細(xì)菌的富集與最先進(jìn)的成像相結(jié)合，以揭示其大分子細(xì)節(jié)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

來(lái)自沉積物的Lokiarchaea文化

考慮到lokiarchaeal生物和其他Asgard古菌可以在各種缺氧且通常是海洋環(huán)境中找到29,30，我們從不同位置的淺水沉積物中篩選DNA，以尋找Asgard古菌的16SrRNA基因的存在，以選擇合適且容易的建立富集的可到達(dá)采樣點(diǎn)。來(lái)自斯洛文尼亞皮蘭海岸附近定期從地中海接收水的小河口運(yùn)河的沉積物被確定在13-16厘米深度層具有最高的相對(duì)豐度，在13-16厘米深度層中顯示出高達(dá)4%的Asgard古細(xì)菌16SrRNA基因擴(kuò)增子測(cè)序(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1和2)。

已鑒定的樣本用于接種具有不同成分和各種頂空條件的培養(yǎng)基(補(bǔ)充表1)的富集培養(yǎng)物(圖1a)。通過(guò)使用Lokiarchaea特異性引物使用定量PCR(qPCR)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3)，在20°C下140天后，可以在含有來(lái)自原始來(lái)源的無(wú)菌過(guò)濾水補(bǔ)充復(fù)雜有機(jī)物的血清瓶中觀察到生長(zhǎng)(酪蛋白水解物、奶粉和氨基酸)。然而，在這些條件下進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)移后，無(wú)法再檢測(cè)到生長(zhǎng)情況，并用不同的培養(yǎng)基成分進(jìn)行了第二輪篩選。使用改良的培養(yǎng)基MK-D1報(bào)告用于培養(yǎng)'Ca。P.syntrophicum'7，細(xì)胞生長(zhǎng)恢復(fù)，豐度反復(fù)達(dá)到2–8%。然而，在這些條件下并未實(shí)現(xiàn)更高的富集。只有通過(guò)開發(fā)基本培養(yǎng)基，主要是通過(guò)減少有機(jī)碳源對(duì)單一化合物的輸入和增加抗生素濃度，lokiarchaeal相對(duì)豐度在幾次轉(zhuǎn)移后達(dá)到25%到80%之間。在含有酪蛋白水解物的最小化古菌培養(yǎng)基(MLM)中實(shí)現(xiàn)了最高富集(圖1a)，同時(shí)用胰蛋白胨、蛋白胨、奶粉、單一氨基酸、葡萄糖或丙酮酸鹽也觀察到了生長(zhǎng)(補(bǔ)充表1)。

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