Vorhersage eukaryotischer zellulärer Komplexität in Asgard-Archaeen mittels Strukturmodellierung

Uralte Mikroben mit verborgener Komplexität

Das Leben, wie wir es kennen, beruht auf eukaryotischen Zellen – Zellen mit inneren Kompartimenten wie einem Zellkern und Mitochondrien. Wie solche komplexen Zellen aus einfacheren mikrobiellen Vorfahren entstanden sind, gehört zu den grundlegenden Rätseln der Biologie. Diese Studie konzentriert sich auf eine wenig bekannte Gruppe von Archaeen, die Asgard genannt werden, und fragt: Tragen diese Mikroben bereits die molekularen Bausteine für die Komplexität, die wir in unseren eigenen Zellen sehen?

Ein Blick in die Proteinwelt der Asgard

Um das zu untersuchen, stellten die Forschenden eine große genomische Sammlung von 936 Asgard-Archaeen zusammen, von denen viele nur aus DNA-Fragmenten aus Umweltproben bekannt sind. Diese Genome kodieren Millionen von Proteinen, von denen die meisten wenig verstanden sind. Anstatt sich allein auf direkte Sequenzähnlichkeit zu stützen, die über sehr lange evolutionäre Zeiträume oft versagt, sagten die Forschenden die dreidimensionalen Strukturen repräsentativer Proteine aus dem gesamten Asgard-„Pangenom“ voraus. Mithilfe leistungsstarker Algorithmen, die ursprünglich für die Proteinfaltung entwickelt wurden, erzeugten sie hochvertrauenswürdige Strukturmodelle für mehr als 37.000 Proteinfamilien.

Ähnlichkeit sehen, wo Sequenzen widersprechen

Proteinsequenzen verändern sich über Milliarden von Jahren schnell, doch ihre Gesamtformen sind oft deutlich konservierter. Die Autorinnen und Autoren nutzten dies, indem sie die vorhergesagten Asgard-Proteinstrukturen mit einer umfangreichen Datenbank bekannter und vorhergesagter Strukturen aus allen Lebensdomänen verglichen. Für jede Asgard-Proteinfamilie fragten sie dann, ob ihre engsten strukturellen Übereinstimmungen überproportional oft bei Eukaryoten zu finden waren. Wenn eine solche Anreicherung auftrat, klassifizierten sie die Asgard-Proteine als „isomorphe eukaryotische Signaturproteine“ oder iESPs – Proteine, deren Formen, und nicht ihre Sequenzen, stark an eukaryotische Proteine erinnern, die mit komplexer Zellbiologie verbunden sind.

Verdreifachung des Bestands eukaryotenähnlicher Proteine

Dieser strukturbasierte Ansatz deckte 1.319 zuvor unerkannte iESPs auf und zeigte, dass Asgard-Archaeen, wenn man sie in verwandte Strukturcluster gruppiert, 908 verschiedene Familien von Proteinen mit starken eukaryotischen Affinitäten enthalten – mehr als das Dreifache der Anzahl, die frühere sequenzbasierte Suchen identifizierten. Viele gehören zu Systemen der Informationsspeicherung und -verarbeitung, wie Translation und Ribosomenbiogenese, sowie zu Stoffwechselwegen, die gegen oxidative Schäden schützen oder komplexe Moleküle verarbeiten. Das legt nahe, dass der archaeale Vorfahr der Eukaryoten bereits ein reichhaltigeres, ausgefeilteres molekulares Werkzeugset besaß, als es alleine aus Genomen hervorging.

Hinweise auf frühe zelluläre Kompartimente

Zu den auffälligsten Funden gehören Proteine, die mit der internen Organisation eukaryotischer Zellen verknüpft sind. Das Team identifizierte Asgard-Varianten des Major Vault Protein, das in Eukaryoten zu riesigen fassförmigen Ribonukleoproteinpartikeln assemblieren kann und an Transport- und Stressreaktionen beteiligt ist. Sie entdeckten außerdem Asgard-Verwandte der COMMD-Proteine aus dem Commander-Komplex, der bei der Wiederverwertung von Membranproteinen in Endosomen hilft. Zusätzlich fanden sie in Asgard eindeutige Quellen für Ufm1, einen ubiquitinähnlichen Modifikator, der an Stresssignalen beteiligt ist, sowie für CINP, einen Partner von Zellzyklus-Kinasen mit Rollen bei der DNA-Replikation und Ribosomenproduktion. Diese Verbindungen deuten darauf hin, dass Bestandteile ausgefeilter eukaryotischer Transport- und Kontrollsysteme bis zu Asgard-Vorfahren zurückverfolgt werden können.

Die Geschichte unserer zellulären Ursprünge neu schreiben

In der Summe zeichnen die Ergebnisse das Bild von Asgard-Archaeen als alles andere als simpel. Ihre Genome kodieren viele Proteine, deren Formen denen entsprechen, die der komplexen Organisation, Informationsverarbeitung und dem Stoffwechsel eukaryotischer Zellen zugrunde liegen. Zwar kann Struktur allein nicht für jede Proteinfamilie direkte Abstammung beweisen, doch sie offenbart tiefe Verbindungen, die Sequenzvergleiche übersehen. Für Nichtfachleute ist die zentrale Botschaft: Der Sprung von einfachen Mikroben zu komplexen Zellen wurde vermutlich von Asgard-ähnlichen Organismen überbrückt, die bereits mit einem Großteil der molekularen Maschinerie ausgestattet waren, auf die unsere Zellen noch heute angewiesen sind.

Zitation: Köstlbacher, S., van Hooff, J.J.E., Panagiotou, K. et al. Prediction of eukaryotic cellular complexity in Asgard archaea using structural modelling. Nat Microbiol 11, 747–758 (2026). https://doi.org/10.1038/s41564-026-02273-y

Schlüsselwörter: Asgard-Archaeen, Evolution eukaryotischer Zellen, Proteinstrukturmodellierung, zelluläre Komplexität, eukaryotische Signaturproteine