2021年4月28日，深圳大學(xué)高等研究院李猛教授課題組在《自然》發(fā)表了題為“阿斯加德古菌的多樣性及其與真核生物的關(guān)系”的研究長(zhǎng)文(Article)。該項(xiàng)研究從我國(guó)的濱海濕地和近海沉積物到西太平洋深淵等樣品中發(fā)現(xiàn)六個(gè)阿斯加德古菌新門(mén)并建立首個(gè)阿斯加德古菌功能基因庫(kù)（AsCOG），研究還深入分析阿斯加德古菌的基因組和代謝潛能，重構(gòu)了由原核生物（細(xì)菌、古菌）和真核生物組成的生命之樹(shù)，從系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系、真核特征蛋白功能演化及生理代謝的互作等方面詳細(xì)闡釋了阿斯加德古菌與真核生物的關(guān)系，為認(rèn)識(shí)真核生物起源這一未解的生命科學(xué)之謎提供了新見(jiàn)解。

該項(xiàng)研究由深圳大學(xué)、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院、自然資源部第三海洋研究所和農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所等單位合作完成。深圳大學(xué)高等研究院李猛教授和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院Eugene Koonin教授為論文共同通訊作者，劉楊副研究員（深圳大學(xué)）、Kira Makarova博士（美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院）和黃文聰碩士研究生（深圳大學(xué)）為共同第一作者。

阿斯加德（Asgard）古菌，又名仙宮古菌，是最近確立的第四個(gè)古菌超門(mén)。基于基因組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)發(fā)育分析，有學(xué)者提出真核生物可能起源于阿斯加德古菌。2019，日本學(xué)者首次高度富集了一類(lèi)阿斯加德古菌—洛基古菌，證實(shí)其攜帶編碼類(lèi)似真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝功能的一系列基因。Science雜志將阿斯加德古菌和真核生物起源的研究列為2019年的十大科學(xué)進(jìn)展之一。因此，探討阿斯加德古菌與真核生物起源已成為當(dāng)前國(guó)際生命科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。

最初的五個(gè)阿斯加德古菌門(mén)類(lèi)均以北歐神話(huà)中的神命名，包括洛基古菌、索爾古菌、奧丁古菌、海姆達(dá)爾古菌和海拉古菌等。李猛教授課題組于2020年初在我國(guó)紅樹(shù)林濕地沉積物中率先發(fā)現(xiàn)了第六個(gè)阿斯加德古菌門(mén)，將其命名為葛德古菌（Gerdarchaeota，女巨人）。在此基礎(chǔ)上，李猛教授課題組與Eugene Koonin教授課題組等開(kāi)展深入合作，對(duì)現(xiàn)有基因組和不同環(huán)境樣品的宏基因組進(jìn)行整合分析，獲得了162個(gè)高質(zhì)量的阿斯加德古菌基因組，其中75個(gè)屬于尚未報(bào)道的新基因組，從中發(fā)現(xiàn)了6個(gè)尚未被報(bào)道的阿斯加德古菌新門(mén)，其中5個(gè)門(mén)類(lèi)分別以北歐神話(huà)的神命名為赫爾莫德古菌（Hermodarchaeota，赫爾莫德：神使）、巴德?tīng)柟啪˙aldrarchaeota，巴德?tīng)枺汗饷髦瘢?、霍德?tīng)柟啪℉odarchaeota，霍德?tīng)枺汉诎抵瘢鼱柟啪˙orrarchaeota，包爾：奧丁的父親）和卡瑞古菌（Kariarchaeota，卡瑞：風(fēng)之神），還有一個(gè)更為古老的阿斯加德古菌新分支則以中國(guó)古典名著《西游記》中大鬧天宮的齊天大圣“孫悟空”的名字命名為悟空古菌（Wukongarchaeota），以彰顯我國(guó)文化自信。分析表明，悟空古菌具備氫氧化的化能自養(yǎng)代謝潛能，顯著區(qū)別于其他阿斯加德古菌混合營(yíng)養(yǎng)或異養(yǎng)的代謝模式，這也是將其命名為中國(guó)神話(huà)人物的原因。

圖一：阿斯加德古菌超門(mén)的系統(tǒng)發(fā)育分析（圖中紅色為我們新命名的7個(gè)門(mén)類(lèi)），右圖為卡通人物形象。

這項(xiàng)研究還排除了物種和保守標(biāo)記基因的選擇方面對(duì)系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果穩(wěn)健性的影響，構(gòu)建了一個(gè)具有高物種覆蓋度的生命之樹(shù)，系統(tǒng)地分析了阿斯加德古菌和真核生物之間的進(jìn)化關(guān)系。結(jié)果顯示，真核生物起源于阿斯加德古菌內(nèi)部，即海姆達(dá)爾-悟空的共同祖先分支，或起源于其他更古老的未知古菌分支（圖二）。

圖二：阿斯加德古菌和真核生物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

該研究建立首個(gè)阿斯加德古菌功能基因庫(kù)（asCOG），發(fā)現(xiàn)大量的新型的真核特征蛋白，主要涉及胞內(nèi)物質(zhì)分泌和運(yùn)輸、囊泡運(yùn)輸、蛋白質(zhì)的翻譯后的修飾、更新和伴侶折疊等過(guò)程。研究還發(fā)現(xiàn)這些真核特征蛋白在12個(gè)阿斯加德古菌門(mén)中的分布較為零散，并且具有多樣的蛋白結(jié)構(gòu)域，暗示阿斯加德古菌具有顯著的動(dòng)態(tài)進(jìn)化歷史過(guò)程。此外，研究還重構(gòu)了阿斯加德古菌關(guān)鍵代謝途徑的演化過(guò)程，提出了真核生物可能起源于“自養(yǎng)型阿斯加德古菌與發(fā)酵型細(xì)菌”的代謝共生模式，為解答真核生物起源這一重大科學(xué)問(wèn)題提供了新的見(jiàn)解（圖三）。

圖三： 阿斯加德古菌關(guān)鍵代謝過(guò)程的重構(gòu)與演化

本研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和深圳市科創(chuàng)委等項(xiàng)目的資助。文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03494-3；文章背后的故事見(jiàn)：https://natureecoevocommunity.nature.com/posts/exploring-asgard-archaea-and-their-relationships-with-eukaryotes。

（高等研究院 供稿）