温度适应的遗传学：生命如何在极端条件下茁壮成长?

生命的适应能力，从原始条件下的进化到未来在不断升高的温度下的生存，是一个令人着迷的课题。据我们所知，与今天发现的微生物相似的微生物已经在地球上存在了数十亿年。在这么长的时间跨度里，生命是如何适应不断变化的环境的呢?对一些最古老的生物(称为产甲烷生物)的基因组进行的分析显示，尽管产甲烷生物在很大的温度范围内生长，但它们的基因组惊人地相似。

　　

   

   

图片:生成甲烷的微生物聚集物的100x100微米视野

图源:Paula Prondzinsky

地球的历史一直是物理极端的历史之一——极端的大气条件、极端的化学环境和极端的温度。曾经有一段时间，地球非常热，所有的水都是蒸汽，只有当地球足够冷的时候，第一场雨才会落下。不久之后，生命出现了，经历了这一切，生命找到了一条路。今天，在我们所看到的地球上，生命几乎无处不在;很难找到不存在生命的地方。生命适应多变环境的非凡能力是其决定性特征之一。在众多的适应性中，生命适应不同温度的能力是最有趣的一种。所有的生命都依赖于化学反应，而化学反应天生对温度很敏感。然而，生命存在于不同的温度范围内，从南极冰架到海底火山的边缘。这就引出了一个问题，生命是如何适应不同的温度的?为了解开这个问题，东京工业大学地球生命科学研究所(ELSI)的Paula Prondzinsky和Shawn Erin McGlynn领导的一个研究小组最近调查了一组被称为产甲烷菌的生物。

产甲烷菌是产甲烷的单细胞微生物，属于更大的“古生菌”(没有细胞核的古老单细胞生物，被认为是真核细胞的前身)领域。作为一个单一的生理群体，产甲烷菌可以在一系列极端温度下茁壮成长，从-2.5 ^oC至122^oC，使它们成为研究温度适应的理想对象。

在这项工作中，研究人员分析并比较了不同种类产甲烷菌的基因组。他们根据产甲烷菌在耐热(高温)、耐冷(低温)和中温(环境温度)环境中生长的温度将其分为三组。然后，他们从一个叫做基因组分类数据库的资源中构建了一个包含255个基因组和蛋白质序列的数据库。接下来，他们从实验室收集的普通和稀有原核生物生长温度数据库中获得了86种产甲烷生物的温度数据。结果是建立了一个将基因组含量与生长温度联系起来的数据库。

在此之后，研究人员使用一种名为OrthoFinder的软件来建立不同的原基因群——由研究中物种的最后一个共同祖先中存在的单一基因衍生而来的一组基因。然后，他们将这些原基分为i)核心(存在于95%以上的物种中)，ii)共享(存在于至少两个物种中，但存在于不到95%的生物体中)和iii)唯一(只存在于单个物种中)。他们的分析显示，大约三分之一的甲基发生基因组在所有物种中都是共享的。他们还发现，物种间共享基因的数量随着进化距离的增加而减少。

有趣的是，研究人员发现耐热生物的基因组更小，核心基因组的比例更高。这些小基因组也被发现比耐冷生物的基因组在进化上更“古老”。由于耐热生物在多个群体中被发现，这些发现表明基因组的大小更依赖于温度而不是进化史。他们还认为，随着甲烷菌基因组的进化，它们是在增长而不是缩小，这挑战了“热还原基因组进化”的观点，即生物在进化到更高温度的位置时，会从基因组中移除基因。

研究人员的分析还表明，产甲烷菌在如此大的温度范围内生长，没有许多特殊的蛋白质。事实上，它们基因组编码的大部分蛋白质是相似的。这使他们考虑到细胞调节或更细尺度的成分适应作为温度适应的根本原因的可能性。为了研究这一点，他们研究了产甲烷菌中氨基酸的组成——蛋白质的组成部分。

他们发现特定的氨基酸在特定的温度组中富集。他们还发现氨基酸的组成差异与蛋白质组电荷、极性和展开熵有关——所有这些都影响蛋白质结构，从而影响其功能能力。总的来说，他们发现耐热产甲烷菌具有更多的带电氨基酸和离子运输功能基因，而这些在耐冷菌中是不存在的。而耐冷生物富含与细胞结构和运动有关的不带电氨基酸和蛋白质。然而，研究人员无法确定一个温度群体中所有成员共有的特定功能，这表明温度适应是一个循序渐进的过程，它发生在细微的步骤中，而不需要大规模的变化。

总而言之，“这表明，最早的产甲烷菌，在地球上的条件对生命不利的时候进化而来，可能与我们在今天的地球上发现的生物相似，”Paula Prondzinsky解释说。“我们的发现可以指出最早微生物的特征和功能，甚至可以提供微生物生命起源于热环境还是冷环境的线索。我们可以扩展这一知识，了解生命如何适应其他极端条件，而不仅仅是温度，甚至揭示其他星球上的生命是如何进化的。”