生命第三域古菌中发现细胞蛇

发布者:行政办公室(A)发布时间:2020-04-28浏览次数:36

在大家这个星球上,古菌代表生命的极限,被称为生命的第三形式。我院刘冀珑课题组发现三磷酸胞苷合酶(CTPS)在古菌中可以形成细胞蛇,证明含有细胞蛇这一结构是生命体中古老而保守的特征。该项研究成果以“CTP synthase forms cytoophidia in archaea”(三磷酸胞苷合酶在古菌中形成细胞蛇)为题于4月20日在学术期刊Journal of Genetics and Genomics (JGG,《遗传学报》)在线发表。

古菌是原核细胞,但是对古菌核糖体rRNA的研究发现,它们与真核生物的关系比与细菌的关系更为密切。1977年,美国伊利诺伊大学科学家卡尔·沃斯(Carl Woese)和乔治·福克斯(George Fox)基于各种类型生物的小亚基核糖体核酸(SSU rRNA)基因差异将地球上的生命分为三界(后来改成“三域理论”)——真核生物、细菌和古菌。

古菌典型特征在于膜是通过醚键连接至甘油的支链烃链。在古菌中,这种含醚键的存在增加了它们承受极端环境(高盐、高温、酸性和厌氧)的能力。因此,古菌被认为确定了地球上生物圈的范围,对理解地球上生命演化以及探索地外生命有着重要意义。

2010年,当时在牛津大学工作的刘冀珑教授首次报道CTPS在果蝇中形成蛇状亚细胞结构,将之命名为cytoophidia(细胞蛇)。十年来,CTPS被陆续发现可以在真核生物(果蝇、酵母、人类细胞和植物细胞等)和细菌(大肠杆菌菌和新月柄杆菌等)形成细胞蛇结构,表明细胞蛇存在于生命体的真核生物域和细菌域。但是,生命第三域古菌中是否存在细胞蛇并不确定。

极端嗜盐古菌(即在高盐环境中生存的古菌)和嗜热古菌(即在极热环境中生存的古菌)是古菌中耐受极端环境的代表。目前发现的绝大部分古菌还不能在实验室条件下培养。近年来研究发现古菌栖息地其实也十分广泛,从江河湿地到高山深海,也可以存在于人类的肠道、口腔与皮肤。例如,产甲烷的古菌存在于包括人在内的一些动物的消化系统中。

在本研究中,刘冀珑教授和合编辑选择西班牙盐盒菌这一极端嗜盐古菌作为研究模型。他们发现西班牙盐盒菌中CTPS在部分细胞中形成特殊结构,在传统的激光共聚焦显微镜下呈现点状或杆状。研究人员利用超高分辨率受激发射损耗显微镜(stimulated emission depletion Microscopy, STED),发现这些CTPS结构呈现典型的细胞蛇结构。在正常培养条件下,西班牙盐盒菌中仅有不到百分之一的细胞中含有细胞蛇。进一步研究显示,包括降低培养基盐浓度等多种条件可以诱导古菌中细胞蛇的装配。

细胞蛇在古菌域中的发现,说明细胞蛇在地球各类生命体的进化上高度保守。这项工作为细胞蛇的演化、功能和结构研究提供新的机遇。

在该论文中,上科大大阳城集团博士研究生周爽为第一编辑,中国科学院微生物研究所向华教授为共同编辑,上科大大阳城集团刘冀珑教授为通讯编辑,大阳城集团为第一完成单位。本工作获得了大阳城集团分子影像平台李晓明博士的技术支撑。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jgg.2020.03.004

古菌中的细胞蛇

A.  激光聚焦显微镜下西班牙盐盒菌的三磷酸胞苷合酶(HhCTPS)形成细胞蛇结构

B.  在传统激光聚焦显微镜(Confocal)和受激发射损耗显微镜(STED)下的细胞蛇


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