Asgardarchaeon中的肌動蛋白細胞骨架和復(fù)雜的細胞結(jié)構(gòu)

Asgardarchaea被認為是真核生物已知的最近親屬。他們的基因組包含數(shù)百種真核生物特征蛋白(ESP)，這激發(fā)了關(guān)于真核細胞進化的假說1,2,3。ESP在精細細胞骨架和復(fù)雜細胞結(jié)構(gòu)的形成中的作用已被假定4,5,6，但從未可視化。在這里，我們描述了一種高度豐富的“CandidatusLokiarchaeumossiferum”培養(yǎng)物，它是Asgard門的成員，在20°C的有機碳源下厭氧生長。它每7–14天分裂一次，細胞密度高達5×107每毫升細胞數(shù)，并且與以前培養(yǎng)的單一Asgard菌株7相比，具有明顯更大的基因組。ESP占其蛋白質(zhì)編碼基因的5%，包括四種肌動蛋白同系物。我們使用冷凍電子斷層掃描對富集培養(yǎng)物進行成像，識別'Ca.L.ossiferum的細胞基于其核糖體的特征性擴增片段。細胞表現(xiàn)出球形細胞體和具有頻繁收縮的分支突起網(wǎng)絡(luò)。細胞包膜由單一的膜和復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)組成。遠程細胞骨架延伸到整個細胞體、突起和收縮區(qū)。細絲的扭曲雙鏈結(jié)構(gòu)與F-肌動蛋白一致。免疫染色表明，這些細絲包含Lokiactin——Asgard古細菌中最高度保守的ESP之一。我們提出，一個復(fù)雜的基于肌動蛋白的細胞骨架早于第一個真核生物的出現(xiàn)，并且是仙宮門進化的一個關(guān)鍵特征，它通過搭建復(fù)雜的細胞結(jié)構(gòu)。

主要的

在發(fā)現(xiàn)古細菌作為除細菌之外的一個獨立譜系后不久，分子和系統(tǒng)發(fā)育研究表明，古細菌和真核生物之間存在深刻的共同進化血統(tǒng)8、9。然而，直到最近才在宏基因組分析中發(fā)現(xiàn)第一個Lokiarchaeota10(現(xiàn)為Lokiarchaeia11)和更廣泛的Asgardarchaeota超門1,2,11,12,13,14,15,16,17證實了一種獨特的關(guān)系，以及真核細胞可能直接從古細菌中出現(xiàn)。事實上，真核生物形成Asgardarchaeota的直接姐妹群，甚至在大多數(shù)系統(tǒng)基因組分析中出現(xiàn)在Asgardarchaeota中3,10,18。

令人信服的是，Asgardarchaea的所有成員都攜帶了廣泛的基因庫，這些基因最初被認為是真核生物(ESP)所獨有的1、2、3、10、19、20。這些ESP主要與高度復(fù)雜的細胞特征相關(guān)，例如細胞骨架的形成、運輸和膜的成形。例如，觀察到Asgard古細菌基因組編碼一個完整的功能性泛素偶聯(lián)ESCRT系統(tǒng)10,21表明有可能精心設(shè)計細胞內(nèi)膜隔室10.另一個值得注意的例子是編碼真核肌動蛋白的幾個密切同源物的基因。雖然已在其他古細菌22、23中鑒定出F-肌動蛋白樣組裝體，但Asgard古細菌也具有肌動蛋白相關(guān)蛋白(ARP)以及肌動蛋白結(jié)合蛋白。值得注意的是，Asgardprofilins和凝溶膠蛋白被發(fā)現(xiàn)能夠調(diào)節(jié)真核肌動蛋白的動力學(xué)5,19,24,25,26，表明存在復(fù)雜且動態(tài)的細胞骨架4。然而，古細菌肌動蛋白的原位結(jié)構(gòu)和功能仍不清楚。

一項開創(chuàng)性研究7展示了Asgard古細菌“CandidatusPrometheoarchaeumsyntrophicum”的首次富集培養(yǎng)，它在具有分子氫消耗生物體的營養(yǎng)聯(lián)合體中緩慢生長至低細胞密度。作為'鈣。P.syntrophicum'細胞顯示長分支突起，作者提出了真核發(fā)生假說，其中原始Asgard古菌與細菌內(nèi)共生體的前身密切相互作用并最終將其內(nèi)生化7,27。這些觀察結(jié)果與最初作為“由內(nèi)而外”模型提出的真核發(fā)生的逐步機制一致28.到目前為止，AsgardESP的作用無法在自然宿主中進行研究，因此很難進一步測試這些概念模型。雖然'Ca。P.syntrophicum'被證明可以轉(zhuǎn)錄ESP，但無法揭示其細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的特征。關(guān)于Asgard古細菌中細胞骨架或內(nèi)部區(qū)室化存在的基本問題仍不清楚，細胞包膜的結(jié)構(gòu)也是如此。在這里，我們將實驗上易于處理的Asgard古細菌的富集與最先進的成像相結(jié)合，以揭示其大分子細節(jié)的細胞結(jié)構(gòu)。

來自沉積物的Lokiarchaea文化

考慮到lokiarchaeal生物和其他Asgard古菌可以在各種缺氧且通常是海洋環(huán)境中找到29,30，我們從不同位置的淺水沉積物中篩選DNA，以尋找Asgard古菌的16SrRNA基因的存在，以選擇合適且容易的建立富集的可到達采樣點。來自斯洛文尼亞皮蘭海岸附近定期從地中海接收水的小河口運河的沉積物被確定在13-16厘米深度層具有最高的相對豐度，在13-16厘米深度層中顯示出高達4%的Asgard古細菌16SrRNA基因擴增子測序(擴展數(shù)據(jù)圖1和2)。

已鑒定的樣本用于接種具有不同成分和各種頂空條件的培養(yǎng)基(補充表1)的富集培養(yǎng)物(圖1a)。通過使用Lokiarchaea特異性引物使用定量PCR(qPCR)進行定期監(jiān)測(擴展數(shù)據(jù)圖3)，在20°C下140天后，可以在含有來自原始來源的無菌過濾水補充復(fù)雜有機物的血清瓶中觀察到生長(酪蛋白水解物、奶粉和氨基酸)。然而，在這些條件下進行兩次轉(zhuǎn)移后，無法再檢測到生長情況，并用不同的培養(yǎng)基成分進行了第二輪篩選。使用改良的培養(yǎng)基MK-D1報告用于培養(yǎng)'Ca。P.syntrophicum'7，細胞生長恢復(fù)，豐度反復(fù)達到2–8%。然而，在這些條件下并未實現(xiàn)更高的富集。只有通過開發(fā)基本培養(yǎng)基，主要是通過減少有機碳源對單一化合物的輸入和增加抗生素濃度，lokiarchaeal相對豐度在幾次轉(zhuǎn)移后達到25%到80%之間。在含有酪蛋白水解物的最小化古菌培養(yǎng)基(MLM)中實現(xiàn)了最高富集(圖1a)，同時用胰蛋白胨、蛋白胨、奶粉、單一氨基酸、葡萄糖或丙酮酸鹽也觀察到了生長(補充表1)。

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