利用结构建模预测 Asgard 古细菌的真核细胞复杂性

具有隐匿复杂性的古老微生物

我们所知的生命依赖于真核细胞——具有内部区室（例如细胞核和线粒体）的细胞。如此精密的细胞如何从更简单的微生物祖先演化而来，长期以来一直是生物学中最深刻的谜题之一。本研究聚焦于一种鲜为人知的古细菌群体，称为 Asgard，并提出问题：这些微生物是否已经携带了构成我们自身细胞复杂性所需的分子构件？

窥视 Asgard 的蛋白质世界

为进行研究，研究者从 936 个 Asgard 古细菌样本中组装了大量基因组集合，其中许多仅能从环境样本的 DNA 片段中获知。这些基因组编码了数百万种蛋白质，大多数尚未被充分理解。研究团队没有仅依赖直接的序列相似性——这种方法在极长的演化尺度上经常失效——而是对来自 Asgard “泛基因组”中代表性的蛋白质预测了三维结构。利用最初为蛋白质折叠开发的强大算法，他们为超过 37,000 个蛋白家族生成了高置信度的结构模型。

在序列不一致处看见相似性

蛋白质序列在数十亿年中变化迅速，但其总体形状往往更为保守。作者利用这一点，将预测得到的 Asgard 蛋白质结构与来自所有生命域的已知与预测结构的庞大数据库进行比对。随后他们针对每个 Asgard 蛋白家族询问：其最接近的结构匹配是否在真核生物中显著富集。当出现这种富集时，他们将这些 Asgard 蛋白归类为“同形真核特征蛋白”（isomorphic eukaryotic signature proteins，简称 iESPs）——即其形状而非序列强烈呼应那些与复杂细胞生物学相关的真核蛋白质。

将类真核蛋白的数量增至三倍

这一结构学方法发现了 1,319 个先前未被识别的 iESP，并显示当这些蛋白按相关的结构簇分组时，Asgard 古细菌包含 908 个与真核生物有强烈亲缘性的不同蛋白家族——超过早期基于序列搜索所识别数量的三倍。许多蛋白属于信息存储与处理系统，例如翻译和核糖体生物发生，以及参与抵御氧化损伤或处理复杂分子的代谢通路。这提示真核生物的古老古细菌祖先已拥有比单靠基因组序列所显示更丰富、更复杂的分子工具箱。

关于早期细胞区室的线索

一些最显著的发现涉及与真核细胞内部组织有关的蛋白质。研究团队鉴定出 Asgard 版本的主要穹窿蛋白（major vault protein），在真核生物中该蛋白组装成巨大的桶状核糖核蛋白颗粒，参与运输和应激反应。他们还发现了 Asgard 的 COMMD 蛋白亲缘物，COMMD 蛋白来自 Commander 复合体，参与内体中膜蛋白的回收。此外，他们在 Asgard 中发现了 Ufm1 的同源物（一种参与应激信号传导的泛素类修饰物）和 CINP（细胞周期激酶的伙伴，参与 DNA 复制与核糖体生成）的 Asgard 来源。这些关联暗示复杂的真核运输与控制系统的组成部分可能可追溯至 Asgard 祖先。

改写我们细胞起源的故事

总体而言，这些结果描绘了 Asgard 古细菌远非简单的图景。它们的基因组编码了许多在形状上与支撑真核细胞复杂组织、信息处理和代谢的蛋白质相匹配的蛋白。尽管仅凭结构不能为每一个蛋白家族证明直接的祖先关系，但它揭示了序列比较所遗漏的深层联系。对非专业读者而言，关键结论是：从简单微生物到复杂细胞的飞跃很可能由类似 Asgard 的生物铺就，这些生物已经配备了我们自身细胞今天仍依赖的大部分分子机器。

引用: 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

关键词: Asgard 古细菌, 真核细胞演化, 蛋白质结构建模, 细胞复杂性, 真核特征蛋白质