包括植物、动物和真菌在内的复杂生命形式被称为真核生物。

这些生物是由细胞组成的，这些细胞含有膜结合的内部隔间，如细胞核和其他细胞器。

Imachi等人在《自然》(Nature)杂志上撰文称，一种被称为“阿斯加德古菌”(Asgard archaeon)的微生物终于在实验室中得到了培养，它可能有助于揭示早期真核细胞是如何进化的。

阿斯加德是北欧神话中阿萨神族的地界，所有尊奉奥丁为主神的神明都居住在这里。

这一成果将有助于对迄今为止最接近真核生物的古细菌进行详细的新陈代谢和细胞研究。

人们认为，当两种类型的单细胞合并，其中一种吞噬另一种时，真核生物就出现了。

来自古菌域的一个细胞被认为吞噬了另一种细菌细胞，后者属于α-变形菌(alphaproteobacterium)一类，被吞噬的细菌进化成了真核生物的产能细胞器——线粒体。

然而，吞噬这种细菌的原始细胞的性质尚不清楚。

基因组分析加强了这种细胞可以追溯到古生菌的观点，因为许多涉及中心生物过程的古细菌基因，如转录、翻译和DNA复制，与相应的真核生物基因有共同的祖先(在系统遗传学上是相关的)。

是被真正的古细菌吞噬，还是被已经获得了一些真核特征的古细菌吞噬，比如细胞核?

迄今为止，还没有发现任何能够解释早期真核生物祖先的化石。

然而，对古细菌谱系的研究为我们提供了一条前进的道路。

2015年以来，在基因组和系统发育分析的基础上，新发现的一门被称为“Lokiarchaeota”(以挪威神洛基命名)的古菌被认为是真核生物进化而来的古代原始宿主细胞的现存近亲。

随后的基因组研究揭示了更多这样的谱系，其他北欧诸神已经为它们提供了名字(托尔、奥丁、海姆达尔和赫尔)，现在它们与Lokiarchaeota一起被统称为“阿斯加德古菌”(Asgard archaea)。

有趣的是，所有这些谱系都包含大量基因，这些基因编码所谓的真核特征蛋白(ESPs)，这种蛋白通常只在真核生物中发现。

目前，根据系统发育分析和真核生物基因组ESP含量，海姆达尔古菌(Heimdallarchaeota)是预测的最接近真核生物的古细菌亲戚。

然而，阿斯加德古菌的所有成员都是预先确定的，他们的新陈代谢也只是由他们的DNA序列来预测的，因此他们的细胞特征直到现在还不为人所知。

Imachi和他的同事们报告说，他们在实验室里培养了一种来自Lokiarchaeota门的阿斯加德古细菌，他们打算把这种生物叫做“Prometheoarchaeum syntrophicum”(以普罗米修斯命名)，这种生物是从深海沉积物中获得的。

古生菌不同寻常的形态和代谢促使作者提出了第一个真核细胞出现的新模型。

这一事件预计发生在20亿到18亿年前，是进化生物学中关键的细胞转变之一，也是一个主要的生物学之谜。

早在阿斯加德古细菌被发现的六年多以前，Imachi和他的同事们就已经开始在深海沉积物中培养微生物。

他们最初的目标是寻找能够降解甲烷的生物，他们在日本海岸海面下2.5公里处寻找这样的微生物。

Imachi等人建立了一个流动生物反应器装置，模拟温度(10°C)和该水下场所的低氧和低营养条件。

在开始这项生物反应器工作的五年内，出现了一个由活跃细菌和古菌组成的高度多样化的联合体，包括Lokiarchaeota。

这些优化结果表明，古生菌在不直接反映其原始栖息地的条件下生长得最好:在20℃，添加氨基酸、多肽甚至婴儿奶粉。

作者报告说，活菌的生长依赖于其他微生物伙伴的存在，而这些伙伴又依赖于活菌的生存——这种关系被称为共生。

根据基因组数据的正确预测，这些伙伴清除的是由古细菌Prometheoarchaeum释放的氢。

研究人员发现，尽管古生菌生长极其缓慢，复制和分裂需要2到4周的时间，但在培养液中，它可以被培养成占据细菌群体80%以上。

根据同位素分析的初步研究，作者报告说这种生物可以降解外部供应的氨基酸。然而，这并不排除它也依靠生长培养基中的其他营养生长的可能性。

古生菌细胞相对较小(直径300-750纳米)，具有其他古菌的脂质特征，没有真核类细胞器的证据。

然而，这种生物在它的细胞表面形成了有趣的结构，包括长而多分枝的突出物。

作者提出了一个新的真核细胞出现的模型，包括三个参与者。在这个模型中，一个会产生线粒体的自由生活的细菌祖先与原始宿主细胞纠缠在一起，然后被宿主细胞吞噬，宿主细胞本身与细菌伙伴处于一种共生关系。

这些想法不同于“反向氢流”(reverse hydrogen flow)模型，该模型认为古生菌产生的氢被细菌线粒体祖先直接消耗，不需要假设有第三个伙伴。

Imachi和同事们经过十多年的努力，成功培养出了Prometheoarchaeum，这是微生物学的一大突破。

它为利用分子和成像技术进一步阐明古生菌的代谢和ESPs在古生菌细胞生物学中的作用奠定了基础，这进而可以指导未来研究真核细胞如何出现的工作方向。

原文出处：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00039-y

Meet the relatives of our cellular ancestor

作者：Christa Schleper &Filipa L. Sousa