阿斯加德古菌 Arf GTPases：开启细胞器生物发生大门的潜在分子开关

为探究真核细胞器形成机制，研究人员对阿斯加德古菌 AArfs 展开研究，发现其或可启动细胞器生物发生。

　　在生命演化的长河中，真核细胞的出现是一次意义非凡的重大事件。真核细胞凭借其复杂的结构和多样的功能，孕育出了地球上丰富多彩的生命形式。在真核细胞内部，各种细胞器各司其职，共同维持着细胞的正常运转。然而，这些细胞器究竟是如何形成的呢？这一问题就像一团迷雾，一直笼罩在科学家们的心头。

为了揭开这层神秘的面纱，来自上海交通大学的研究人员踏上了探索之旅。他们将目光聚焦于阿斯加德古菌（Asgard archaea），这类古菌被认为是与真核生物亲缘关系最为接近的原核生物，它们或许隐藏着细胞器形成的关键线索。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员运用了多种先进的技术方法来开展这项研究。在生物信息学方面，通过对阿斯加德古菌基因组进行深度挖掘和系统发育分析，精确识别出其中编码的 Arf 样蛋白（AArfs）。利用 AlphaFold2 等工具对 AArfs 的蛋白质结构进行预测，从原子层面解析其潜在功能。在实验研究中，借助酵母和哺乳动物细胞等模型，开展细胞生物学实验，直观观察 AArfs 的细胞定位和功能。运用亲和纯化结合质谱分析技术，全面鉴定 AArfs 的相互作用蛋白，深入剖析其在蛋白质网络中的角色。

研究结果如下：

1. 阿斯加德基因组编码 Arf 样蛋白：研究人员从 214 个阿斯加德基因组中成功鉴定出 210 个 AArfs。系统发育分析显示，AArfs 与真核生物的 Arf 蛋白聚为一支，形成了独特的进化分支。进一步对 AArfs 的结构进行分析发现，它们不仅具备与 Arf 蛋白相似的折叠结构，还拥有作为 GTP 依赖型分子开关所必需的关键结构元件。这表明 AArfs 在进化上与 Arf 蛋白紧密相关，并且可能具有相似的功能。
2. 部分 AArfs 具有 GTP 依赖的膜靶向特性：研究人员将部分 AArfs 在酵母和人类细胞中进行表达，惊喜地发现其中一些 AArfs 能够特异性地结合到细胞膜上，而且这种结合依赖于 GTP 的存在。体外实验也证实，AArfs 能够与真核生物和古菌的细胞膜相互作用。这一发现揭示了 AArfs 在膜相关过程中的潜在功能，为理解其在细胞器形成中的作用提供了重要线索。
3. AArfs 是调控细胞器动态的蛋白质网络枢纽：研究表明，AArfs 能够被真核生物的 Arf 鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEFs）和 GTP 酶激活蛋白（GAPs）所调控。在酵母细胞中，AArfs 的相互作用蛋白主要富集在与细胞器功能相关的蛋白质中。这意味着 AArfs 在蛋白质相互作用网络中处于核心地位，极有可能在调控细胞器的结构和功能方面发挥着关键作用。
4. AArf 可调节真核细胞内膜系统：通过对表达 AArf 的酵母细胞进行透射电子显微镜观察，研究人员发现，表达特定 AArf（如 GerdYT_{6_3-5}）的酵母细胞内膜系统出现了显著的扩张，内质网和高尔基体等内膜细胞器大量增殖。进一步研究发现，GerdYT_{6_3-5}能够与 COPII 囊泡外被的关键成分 Sec23 发生相互作用，且这种相互作用依赖于 GTP 的结合。这一结果表明，AArf 可以通过与下游效应蛋白的相互作用，对真核细胞内膜系统的发育产生重要影响。
5. 阿斯加德古菌在内膜变形进化中的地位：对阿斯加德古菌蛋白质组的分析发现，其中存在类似于 COPII 外被成分 Sec23 和 Sec24 的蛋白质，但这些蛋白质与真核生物的 Sec23 在结构和功能上仍存在一定差异。研究人员推测，阿斯加德古菌中 AArf 与内膜外被成分的协同进化，可能是真核细胞内膜细胞器形成的关键步骤。

在讨论部分，研究人员指出，AArfs 作为膜相关的分子开关，具备成为细胞器生物发生起始因子的潜力。尽管目前还不清楚 AArfs 在其天然环境中是如何被调控的，但这些发现为理解真核细胞内膜细胞器的起源和进化提供了全新的视角。未来的研究可以进一步探索 AArf 的调控机制，以及其与其他蛋白质之间的相互作用，从而更深入地揭示真核细胞内膜系统的形成和演化过程。

总的来说，这项研究通过对阿斯加德古菌 AArfs 的深入探究，为我们理解真核细胞内膜细胞器的起源和进化提供了重要的线索。研究结果表明，AArfs 在细胞器生物发生中具有潜在的重要作用，有望成为揭示生命演化奥秘的关键钥匙。这一研究成果不仅丰富了我们对生命起源和进化的认识，也为后续的相关研究开辟了新的方向。