Asgard 古菌中微管的发现：追溯微管演化的关键线索

《Cell》：Microtubules in Asgard archaea

为探究微管形成的起源问题，研究人员开展 Asgard 古菌中微管形成相关研究，发现了可形成微管的 tubulins，为理解微管组装提供框架。

　　在微观的细胞世界里，细胞骨架就像是细胞的 “脚手架”，支撑着细胞的各种活动。其中，微管（Microtubules）作为真核细胞的标志性结构之一，在细胞内物质运输、细胞分裂等过程中发挥着关键作用。然而，微管的起源一直是生物学领域的一个谜团。在漫长的生物进化历程中，微管是如何从简单的原核生物逐渐演化形成的？这个问题吸引着众多科学家不断探索。

此前研究发现，真核生物的两大主要细胞骨架成分 —— 肌动蛋白丝（actin filaments）和微管，可追溯到最后真核共同祖先（LECA）。Asgard 古菌作为与真核生物亲缘关系最近的已知生物，拥有许多真核生物标志性蛋白质，但微管的起源在这一领域却尚未明确。虽然原核生物中存在大量 tubulin 同源物，如 FtsZ，可介导细胞分裂，但它们通常形成同聚体和非管状超结构，与真核生物微管差异明显。在细菌中发现的 BtubA/B 虽能形成异二聚体并聚合成原丝和微型微管，但其功能和起源也存在诸多争议。因此，探索微管的起源，揭示其演化轨迹，成为了生命科学领域亟待解决的重要问题。

为了揭开微管起源的神秘面纱，来自瑞士苏黎世联邦理工学院（Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich）和奥地利维也纳大学（University of Vienna）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Cell》杂志上，为我们理解微管的演化提供了重要线索。

研究人员采用了多种先进技术方法来开展此项研究。通过冷冻电镜断层扫描（cryo-ET）技术，研究人员得以观察 Ca. L. ossiferum 细胞的超微结构；利用蛋白质组学（Proteomics）和转录组学（Transcriptomics）分析，检测细胞中蛋白质和基因的表达情况；借助单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）技术，确定蛋白质的结构；运用超微结构扩展显微镜（U-ExM）技术，在细胞内可视化目标蛋白的定位 。

研究结果如下：

• Ca. L. ossiferum 细胞中的细胞骨架元件：研究人员通过 cryo-ET 技术观察 Ca. L. ossiferum 细胞，发现除了 Lokiactin 形成的丝状结构外，还存在多种不同类别的丝状结构，包括贯穿细胞体的连续弯曲结构、位于细胞突起中的管状结构以及细胞突起连接处的细纤维等1。
• Asgard tubulins 的表达与特征：蛋白质组学分析显示，Ca. L. ossiferum 细胞中表达两种 Asgard tubulins（AtubA/B），且二者以等摩尔比表达。AtubA/B 与细菌的 BtubA/B 序列相似性最高，并与真核生物的 tubulins 聚类在一起。转录组学分析表明，所有 tubulin 基因在对数生长早期转录水平较高23。
• Asgard tubulins 形成异二聚体：研究人员利用昆虫细胞表达系统纯化 AtubA/B，cryo-EM 分析显示，AtubA/B 形成类似于真核生物 tubulin 的异二聚体。AtubA 占据 β-tubulin 位置，AtubB 占据 α-tubulin 位置，其核苷酸结合口袋高度保守，且 AtubA 的 T7 环缺乏关键的 GTP 酶激活酸性残基45。
• AtubB2 对异二聚体形成的影响：Ca. L. ossiferum 基因组编码的 AtubB2 可与 AtubA 形成非典型异二聚体。AtubB2 能竞争性取代 AtubB，且 AtubA/B2 异二聚体的界面不含 GTP，其结构比 AtubA/B 更稳定67。
• Asgard tubulins 形成微管：在体外实验中，AtubA/B 和 AtubA/B2 在特定条件下可聚合成微管。AtubA/B 形成 5 原丝微管，AtubA/B2 形成 7 原丝微管，二者的侧向相互作用方式不同。AtubA/B 微管的组装具有 GTP 依赖性，且对温度敏感89。
• Asgard tubulins 在体内的组装情况：通过 U-ExM 技术结合免疫荧光染色，研究人员在 Ca. L. ossiferum 细胞中观察到 AtubA/B 形成的丝状结构，但仅在少数处于早期对数生长期的细长细胞中发现1011。

研究结论与讨论部分指出，该研究发现的能形成微管的 Asgard tubulins，为微管的起源提供了新的见解，表明微管形成的 tubulins 可能起源于前真核生物。AtubA/B 似乎是原核 / 细菌同聚体丝状形成 tubulins 与真核异二聚体微管形成 tubulins 之间的真正中间体，这一发现对多个研究领域具有重要意义。在微管组装和进化方面，研究揭示了微管进化的关键步骤，为理解微管组装机制提供了框架。在 Asgard 细胞生物学方面，尽管 tubulins 在 Asgard 古菌中的功能仍不明确，但研究结果提示其可能具有更特殊的功能，如移动遗传元件的分离。此外，研究还为 PVC 超门细菌中微型微管的起源提供了新解释，表明可能存在广泛的水平基因转移。总之，这项研究为我们理解微管的起源和演化提供了重要依据，也为后续相关研究开辟了新的方向。