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标题: 合成生物学探究真核细胞膜脂开端谜题 [打印本页]

作者: 大宇转晴 时间: 2023-5-26 21:43
标题: 合成生物学探究真核细胞膜脂开端谜题
机密又神奇的古菌

与细菌和真核生物相比，大多数人可能对古菌比力生疏。古菌（archaea）又可叫做古生菌、古核细胞或原细菌，之以是称为“古”菌，与其在地球上的出现时间有关。“如果将地球约46亿年的年事比作一天的话，古菌早在凌晨5点多钟就出现了，而人类则是在深夜23点58分才诞生，因此古菌的‘古’，从某种意义上讲是这类生物在地球上出现时间很早，对极端情况适应能力最强，因此至今仍广泛分布于地球上高温热泉、盐湖、深海等各种极端情况。”
另外，古菌的神奇还体现在细胞结构上。起首，古菌具有原核生物的某些特性，如无核膜、无内膜体系以及具备环状基因组等；同时，古菌也有真核生物的特性，如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并联合组蛋白；此外古菌还具有既差别于原核细胞也差别于真核细胞的特性，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。因此，对古菌的探究有望探究生命开端，揭开生命演化的谜团。
是“兄妹”还是“父母”？——生命树假说的争论
比年来，宏基因组技能和生物信息学的发达发展加深了人类对微生物多样性、生理功能和生命演化的明白和认识。1977年，美国微生物学家Carl Woese通过16S/18S rRNA序列体系发育分析偶然发现了古菌，据此将原核生物分为两大类：细菌和古菌，与真核生物一起构成了生命开端的三域体系生命树假说（Three-Domain），换句话说，从生命树关系来看，古菌与真核生物属于“兄妹”关系。但由于缺乏符合的外群（Outgroup），生命树的根部仍未辨别。直到1989年，Iwabe N和Gogarten JP通过对差别种类的平行同源蛋白（Paralogous protein）分析得到一个结论：生命树的根部定位在细菌和真核生物-古菌共同先人之间。到了1990年，Carl Woese基于这个结论提出了三域生命树并将古菌划分为两个门：广古菌门（Euryarchaeota）和泉古菌门（Crenarchaeota）。

定义古细菌的Carl Woese（1928-2012）与三域假说（Three Domain Classification）
1988年，加州大学洛杉矶分校的James Lake等基于核糖体结构类似性及进化简约性分类方法，揭示了真核生物是古菌的一个分支，这也暗示了真核生物可能泉源于古菌，也就是说古菌与真核生物并非“兄妹”，而是“父母”！由此提出了二域体系生命树假说（Two-Domain Classification）。
宏基因组技能的发展也促进了阿斯加德古菌(Asgard archaea)的发现。熟悉漫威电影的朋友可能知道阿斯加德是北欧神话中的神域，很多阿斯加德古菌也是以洛基（Loki）、雷神索尔（Thor）等命名。由于许多阿斯加德古菌的基因组携带大量真核标记蛋白（Eukaryotic Signature Proteins，ESP）编码基因，以是在演化关系上被认为是目前与真核生物开端距离最近的原核生物。同时，阿斯加德古菌的发现在一定程度上被认为更倾向支持二域体系生命树假说：约在18-20亿年前，Asgard谱系的古菌先人起首获得了原始的细胞骨架体系，具有膜变形和核内体物质分选运输的能力，然后与α-变形菌门的细菌发生了“内共生”，并逐渐进化成当代真核生物中最重要的细胞系-线粒体，成为真核生物开端的关键一步，这就是著名的“内共生开端学说”。
然而，内共生学说也面对许多挑衅，其中一个重要的未解之谜，是为何现存构成真核细胞与古菌细胞的细胞膜脂分子骨架具有相反的手性？当代细菌和真核细胞的膜脂重要由甘油-3-磷酸（sn-glycerol-3-phosphate，G3P）为骨架，而古菌细胞膜则以甘油-1-磷酸（sn-glycerol-1-phosphate，G1P）为根本母核结构，这一征象被称为膜脂分界（Lipid Divide）。这一征象极其差别平常，由于构成地球生命的有机分子通常具有单一手性，如L型氨基酸、D型核苷酸等。基于内共生理论，当代真核细胞应该泉源于古菌宿主，但是其细胞膜脂的手性却与古菌相反、与被内吞的细菌类似。膜脂分界和二域生命树看似存在不可调和的抵牾，这是真核开端的重大谜题之一。

合成生物学重构古菌膜脂合成通路，探究古菌-真核膜脂演化之谜（图片泉源：刘陈立）
真核开端发生在距今数十亿年前，在时间旅行成为现实之前，人类无法对已往的事件举行直接观测，而传统古生物学研究重要停留在对化石的形态学分析。2022年诺贝尔生理学或医学奖授予瑞典古生物学家斯万特·帕博（Svante Pbo），他创建了古基因组学这一全新学科，在分子程度通过古DNA基因组测序技能破解人类进化之谜。而合成生物学提供了进一步在功能层面研究古DNA遗传信息的可能性，从而探索生命开端，探究生命演化。比方，哈佛大学家乔治·丘奇George Church在其著作 Regenesis 中，对如何基于合成生物学、基因编辑等手段“复活猛犸象”的技能路径举行了展望。
在之前的研究中，科学家们基于脂质体（liposome）、细菌等构建了兼具G1P和G3P的杂合膜脂模型，但尚未成功构建真核-古菌杂合模型，以更直接地研究真核膜脂开端的问题。中国科学院深圳先辈技能研究院司同课题组与南方科技大学张传伦教授课题组合作，在国际学术期刊Angewandte Chemie International Edition发表研究论文 Biosynthesis of Hybrid Neutral Lipids with Archaeal and Eukaryotic Characteristics in Engineered Saccharomyces cerevisiae。
作者依托深圳合成生物研究重大科技基础设施（以下简称合成生物“大设施”）使用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为底盘，初次在酿酒酵母真核细胞中实现古菌泉源极性细胞膜脂的异源合成，意表面测到兼具真核特性和古菌特性的杂合中性脂（DGGGO-FA）。通过进一步剖析该类新奇化合物的合成机制，以及通过生信分析及实行表征，提出并部门验证了古菌可能合成类三酰甘油（TAG）分子用于能量储存的假说，对科学界的普遍认知提出挑衅。这一研究手段将编码古菌膜脂生物合成的DNA用合成生物学的方式引入真核细胞，观测两者的膜脂是否可以稳固相融。
酿酒酵母作为实行室常用的模式真核微生物，具有细致的遗传生化研究和丰富的合成生物学工具，是研究古菌-真核膜脂演化的理想宿主。作者依托合成生物“大设施”，采用模块化DNA组装方法，规模化构建了古菌细胞膜极性脂的生物合成通路，在酵母底盘中“即插即用”式引入产甲烷古菌(Methanosarcina acetivorans)、硫化古菌(Sulfolobus islandicusas)、Asgard古菌等差别泉源的关键合成基因，成功合成了具备古菌醚键特性的极性脂，初次在真核细胞中实现了古菌泉源极性细胞膜脂的异源合成。基于这一模型，作者发现酿酒酵母中竟然也具有合成G1P能力。与此同时，作者初次获得生化实行证据，支持Asgard古菌泉源的GGGPS(geranylgeranyl pyrophosphate synthase)、DGGGPS ((S)-2,3-di-O-geranylgeranylglycerylphosphate synthase)酶可以合成兼具G1P、G3P手性的杂合膜脂。这些观察阐明膜脂分界并非像人们原来认为的那样严格。

重组酵母中古菌特性脂类合成途径（蓝色配景）及酵母内源脂类合成途径（黄色配景）
通过对重组酵母菌株Gty-Ma举行液相色谱-质谱联用分析（LC-MS/MS）发现，重组酵母Gty-Ma脂类合成具有古菌极性脂（如下图，1-4离子峰）和中性脂分子（如下图，5、6、7、9、11、13、15蓝色配景离子峰）以及酵母内源三酰基甘油TAGs（如下图，黄色配景离子峰）。通过多种分析手段对这一系列中性脂分子的表征分析，证明了该类化合物是新奇的杂合中性脂分子DGGGO-FAs，同时含有古菌醚键特性和细菌脂肪酰基特性。基于基因敲除、回补等方法，对古菌细胞膜极性脂类合成关键酶/通路功能表征，探究了DGGGO-FAs的生物合成机制，发现酿酒酵母中二酰甘油酰基转移酶DGAT是关键合成酶，催化DGGGOH古菌醇和Acyl-CoA缩合产生DGGGO-FA。

重组酵母中古菌特性脂类合成途径（蓝色配景）及酵母内源脂类合成途径（黄色配景）
令人兴奋的是，作者在古菌蛋白数据库中开展DGAT序列同源检索，发现其同工酶序列在古菌域中广泛分布。作者选取了泉源于深古菌门（Candidatus Bathyarchaeota）、广古菌门（Euryarchaeota）的DGAT序列，通过在酵母中异源表达，证明了古菌DGAT酶具有合成DGGGO-FA的能力，同时也可催化合成TAG分子。自然界中，聚羟基脂肪酸酯（PHA）、TAG及蜡酯（Wax Ester）等中性脂通常被用于能量贮存，其中真核及细菌重要使用PHA、Wax Ester和TAG、古菌重要使用PHA。因此，作者初次证明古菌中广泛存在DGAT酶（如下图所示），并通过生化实行证明其合成DGGGO-FAs的能力，有望改写科学界对古菌能量蕴藏情势的认知。然而，尚不清晰自然情况中古菌可否合成DGGGO-FA类中性脂，因此本研究提出的假说仍有待于进一步验证。

图DGAT同工酶在细菌、真核及古菌域中的序列相似性网络分布图
小结
总之，真核生命开端依然有许多争媾和未解之谜，而合成生物学对生命开端的探究提供了新思路和新方法。本研究的局限之一是酵母模型中古菌细胞膜极性脂的含量仍然较低，未能令人信服地答复杂合细胞膜可否在真核细胞中稳固存在的问题。未来，作者计划联合代谢工程等方法，提高古菌膜脂异源合成效率，研究膜脂手性对于真核细胞生理、脂类亚细胞定位等关键生命过程的影响，持续探究真核细胞膜脂开端和演化的谜题。
中国科学院深圳先辈技能研究院张建志助理研究员为第一作者，司同研究员为通讯作者。
该研究得到了国家重点研发计划（2021YFA0910800和2020YFA0908500）、国家自然科学基金（32101179, 32071428, 91851210）、海洋地球古菌组学深圳市重点实行室（ZDSYS201802081843490）和南方海洋科学与工程广东省实行室(广州)的资助，同时，也得到了深圳合成生物学创新研究院的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202214344
泉源：中国科学院深圳先辈技能研究院

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