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Asgardarchaeon中的肌动蛋白细胞骨架和复杂的细胞结构

导读 Asgardarchaea被认为是真核生物已知的最近亲属。他们的基因组包含数百种真核生物特征蛋白(ESP),这激发了关于真核细胞进化的假说1,2,3。ESP...

Asgardarchaea被认为是真核生物已知的最近亲属。他们的基因组包含数百种真核生物特征蛋白(ESP),这激发了关于真核细胞进化的假说1,2,3。ESP在精细细胞骨架和复杂细胞结构的形成中的作用已被假定4,5,6,但从未可视化。在这里,我们描述了一种高度丰富的“CandidatusLokiarchaeumossiferum”培养物,它是Asgard门的成员,在20°C的有机碳源下厌氧生长。它每7–14天分裂一次,细胞密度高达5×107每毫升细胞数,并且与以前培养的单一Asgard菌株7相比,具有明显更大的基因组。ESP占其蛋白质编码基因的5%,包括四种肌动蛋白同系物。我们使用冷冻电子断层扫描对富集培养物进行成像,识别'Ca.L.ossiferum的细胞基于其核糖体的特征性扩增片段。细胞表现出球形细胞体和具有频繁收缩的分支突起网络。细胞包膜由单一的膜和复杂的表面结构组成。远程细胞骨架延伸到整个细胞体、突起和收缩区。细丝的扭曲双链结构与F-肌动蛋白一致。免疫染色表明,这些细丝包含Lokiactin——Asgard古细菌中最高度保守的ESP之一。我们提出,一个复杂的基于肌动蛋白的细胞骨架早于第一个真核生物的出现,并且是仙宫门进化的一个关键特征,它通过搭建复杂的细胞结构。

主要的

在发现古细菌作为除细菌之外的一个独立谱系后不久,分子和系统发育研究表明,古细菌和真核生物之间存在深刻的共同进化血统8、9。然而,直到最近才在宏基因组分析中发现第一个Lokiarchaeota10(现为Lokiarchaeia11)和更广泛的Asgardarchaeota超门1,2,11,12,13,14,15,16,17证实了一种独特的关系,以及真核细胞可能直接从古细菌中出现。事实上,真核生物形成Asgardarchaeota的直接姐妹群,甚至在大多数系统基因组分析中出现在Asgardarchaeota中3,10,18。

令人信服的是,Asgardarchaea的所有成员都携带了广泛的基因库,这些基因最初被认为是真核生物(ESP)所独有的1、2、3、10、19、20。这些ESP主要与高度复杂的细胞特征相关,例如细胞骨架的形成、运输和膜的成形。例如,观察到Asgard古细菌基因组编码一个完整的功能性泛素偶联ESCRT系统10,21表明有可能精心设计细胞内膜隔室10.另一个值得注意的例子是编码真核肌动蛋白的几个密切同源物的基因。虽然已在其他古细菌22、23中鉴定出F-肌动蛋白样组装体,但Asgard古细菌也具有肌动蛋白相关蛋白(ARP)以及肌动蛋白结合蛋白。值得注意的是,Asgardprofilins和凝溶胶蛋白被发现能够调节真核肌动蛋白的动力学5,19,24,25,26,表明存在复杂且动态的细胞骨架4。然而,古细菌肌动蛋白的原位结构和功能仍不清楚。

一项开创性研究7展示了Asgard古细菌“CandidatusPrometheoarchaeumsyntrophicum”的首次富集培养,它在具有分子氢消耗生物体的营养联合体中缓慢生长至低细胞密度。作为'钙。P.syntrophicum'细胞显示长分支突起,作者提出了真核发生假说,其中原始Asgard古菌与细菌内共生体的前身密切相互作用并最终将其内生化7,27。这些观察结果与最初作为“由内而外”模型提出的真核发生的逐步机制一致28.到目前为止,AsgardESP的作用无法在自然宿主中进行研究,因此很难进一步测试这些概念模型。虽然'Ca。P.syntrophicum'被证明可以转录ESP,但无法揭示其细胞内结构的特征。关于Asgard古细菌中细胞骨架或内部区室化存在的基本问题仍不清楚,细胞包膜的结构也是如此。在这里,我们将实验上易于处理的Asgard古细菌的富集与最先进的成像相结合,以揭示其大分子细节的细胞结构。

来自沉积物的Lokiarchaea文化

考虑到lokiarchaeal生物和其他Asgard古菌可以在各种缺氧且通常是海洋环境中找到29,30,我们从不同位置的浅水沉积物中筛选DNA,以寻找Asgard古菌的16SrRNA基因的存在,以选择合适且容易的建立富集的可到达采样点。来自斯洛文尼亚皮兰海岸附近定期从地中海接收水的小河口运河的沉积物被确定在13-16厘米深度层具有最高的相对丰度,在13-16厘米深度层中显示出高达4%的Asgard古细菌16SrRNA基因扩增子测序(扩展数据图1和2)。

已鉴定的样本用于接种具有不同成分和各种顶空条件的培养基(补充表1)的富集培养物(图1a)。通过使用Lokiarchaea特异性引物使用定量PCR(qPCR)进行定期监测(扩展数据图3),在20°C下140天后,可以在含有来自原始来源的无菌过滤水补充复杂有机物的血清瓶中观察到生长(酪蛋白水解物、奶粉和氨基酸)。然而,在这些条件下进行两次转移后,无法再检测到生长情况,并用不同的培养基成分进行了第二轮筛选。使用改良的培养基MK-D1报告用于培养'Ca。P.syntrophicum'7,细胞生长恢复,丰度反复达到2–8%。然而,在这些条件下并未实现更高的富集。只有通过开发基本培养基,主要是通过减少有机碳源对单一化合物的输入和增加抗生素浓度,lokiarchaeal相对丰度在几次转移后达到25%到80%之间。在含有酪蛋白水解物的最小化古菌培养基(MLM)中实现了最高富集(图1a),同时用胰蛋白胨、蛋白胨、奶粉、单一氨基酸、葡萄糖或丙酮酸盐也观察到了生长(补充表1)。

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