已有 3732 次阅读 2023-8-10 08:39 |系统分类:海外观察

线粒体是一个神奇的存在。线粒体们为细胞提供能量，并容纳许多生物合成途径。线粒体们曾经是一种自由生活的细菌，但现在成为真核细胞胞质中的双膜边界隔室，在那里它们执行各种功能。从这个意义上说，包括动物植物和真菌的真核细胞是一种共生体。

线粒体是作为内共生体居住在另一个细胞内的α变形杆菌。大约10亿年前，线粒体祖先偶然生活在另一个细胞内（5）。线粒体保留了许多从自由生活的祖先α变形杆菌继承的特征，这是一种高度多样化和多功能的原核生物群。但在从细菌转化为线粒体的过程中，α变形杆菌几乎将所有基因都让渡给了细胞核，从而促成了真核生物进化过程中出现的新功能的进化。这一进化也导致了线粒体完全失去了独立生存的可能。

线粒体相关的真核细胞功能清单很长，并且仍在增长。包括能量代谢、氧化还原平衡、细胞凋亡（程序性细胞死亡）、铁硫簇组装、细胞周期、脂质合成、膜通量、细胞内信号传导、自噬（细胞内蛋白质和细胞器的降解）等（2-5）。线粒体的这些基本功能在所有真核生物群中都是保守的，将真核细胞生物学的骨干追溯到最后一个真核共同祖先（LECA）的线粒体（5）。真核生物特异性结构和过程的许多分子成分源于线粒体共生体的基因组。因此，更多地了解产生线粒体的细菌的性质可以帮助我们了解真核生物细胞复杂性是如何形成的，这就是Geiger（盖格）等人研究的领域。（6）他们主要对α变形杆菌线粒体性状基因的进行研究。

盖格及其同事（6）调查了细菌基因组中的数十种特征，这些特征将线粒体与其自由生活的细菌表亲联系起来。他们寻找线粒体生物合成的基因和线粒体DNA（mtDNA）典型的线粒体特异性操纵子结构。这些性状存在于各种自由生活的α变形杆菌中，但并非在所有谱系中，并且它们在不同的谱系中以不同的频率出现。盖格等.（6）推断，那些线粒体特异性特征频率最高的谱系将有助于确定真核细胞动力源的祖先的性质。他们的发现的一个重要信息是，线粒体性状不仅限于一个特定的α变形细菌谱系，而是一些谱系具有更多，一些谱系具有更少。打个比方，就好像有人在LECA存在以来的大约20亿年里，在自由生活的细菌（包括α变形杆菌）中“洗牌”了线粒体性状的基因。

“洗牌”正是横向基因转移（LGT）的作用（图1）。LGT在进化过程中跨基因组和物种边界重组基因，不断在原核染色体中产生新的基因组合和集合。我们今天在给定的细菌基因组中看到的基因集将不同于我们在十亿年后看到的基因，因为LGT将以牺牲旧基因为代价不断引入新基因。即使是同一现代细菌物种的两种菌株也可能有30%的基因差异。由于原核生物中的LGT会随着时间的推移产生基因通量，因此没有一个α变形细菌谱系具有与线粒体祖先在15亿年前相同的基因集合。

原核基因组中的这种流动性并不是一个新的见解，但它确实使系统发育学专家试图确定生活在LECA时代的细菌谱系的问题复杂化。如果我们想重建自由生活的线粒体祖先的基因组，我们必须寻找它的基因，因为它们在地质时间中分散在现代细菌基因组中，因为最后一个共同线粒体祖先的基因组不再存在，尽管它的基因通过从线粒体基因组到宿主核基因组的基因转移沉积在LECA的染色体中。这就是为什么盖格等人（6）研究的有氧性状，厌氧性状和脂质代谢等基因，虽然从同一个线粒体获得，但今天没有追溯到一个α变形杆菌谱系（7）。

从细胞生物学的角度来看，盖格等人最重要的发现（6）涉及用于合成线粒体典型两种脂质的基因：心磷脂（CL）和神经酰胺。CL是一种二聚体脂质，将四个脂肪酸链连接到三个甘油分子（图1）。CL 通常包含线粒体脂质的 15% 至 20%;它的二聚体性质使它呈圆锥形。CL在线粒体中合成，它积极参与呼吸，能量产生，ROS产生，嵴形态，线粒体裂变和融合，线粒体生物发生，蛋白质进口，线粒体载体，细胞凋亡和线粒体自噬（3，4，8，9).人们可能会认为，这些是脂质的很多功能，但CL很重要。在真核生物中，有两种CL合成途径往往是相互排斥的，尽管少数真核生物同时拥有这两种途径。盖格等.（6）鉴定出编码两种生物合成途径的基因的α变形杆菌，表明祖先线粒体也是如此，将其基因捐赠给LECA，然后在真核生物谱系多样化期间差异损失。

盖格等.（6）还调查了用于合成另一种脂质的基因的分布和系统发育，这种脂质在进化问题上经常被忽视，神经酰胺是一种在极性头部组中使用丝氨酸而不是甘油的鞘脂（图1）。鞘脂是真核生物许多信号传导过程的核心。它们的合成发生在线粒体和线粒体相关膜（MAMs）上，即内质网和线粒体外膜之间的膜接触位点。该过程从丝氨酸-棕榈酰转移酶（SPT）开始，SPT是一种特定于鞘脂合成途径的酶。至于采样的其他线粒体性状，神经酰胺生物合成的基因存在于一些α变形杆菌中，在某些群体中比其他群体更常见，但不限于一个谱系（6） - LGT的工作原理。神经酰胺和CL在线粒体中的积累向细胞发出信号以诱导线粒体自噬，在某些条件下甚至细胞凋亡（8，9）。

盖格等人（6）检查了自然界中发生的微生物进化：一次一个基因，每个基因都是自己在原核基因组中，生理性状的基因和操纵子（共调控基因簇）可以不断转移，随着时间的推移彼此独立地进化，产生跨谱系的基因和生化能力的新组合。这些新组合中的每一种都有可能有用，因此可以在特定的环境条件下进行选择。这种拼凑的进化模式与原核核糖体蛋白观察到的形成鲜明对比，原核糖体蛋白普遍存在于所有谱系中，很少是LGT的靶标（7）。原核生物中这些对比鲜明的进化模式――生理性状的横向遗传和核糖体的垂直遗传――产生了相互矛盾的线粒体进化图片，但这两张图片都是有效的。生理性状基因的原核分布（6）不能干净地映射到核糖体蛋白的系统发育上，因为性状的基因经历LGT。为了更全面地了解线粒体起源，我们需要同时考虑生理特征和系统发育。

新工作最令人兴奋的方面（6）揭示了LECA中的线粒体信号传导。CL和神经酰胺合成的基因可以追溯到线粒体的祖先α变形杆菌，两种脂质不仅参与线粒体信号传导，还参与线粒体自噬的诱导（4）。线粒体自噬是将有缺陷的线粒体靶向细胞消化道降解的过程：自噬体和溶酶体。线粒体自噬可以通过营养限制诱导，可以清除功能失调的线粒体，但也提供了在饥饿条件下使用有缺陷的线粒体作为食物来源的方法。奇怪的是，线粒体自噬在所有真核生物群中都是保守的（8），而吞噬 - 以细菌为生的过程 - 则不是（10）。真菌就是一个例子，真菌是巨大而古老的真核生物群，在那里发现了线粒体自噬，但吞噬从未发生过。

LECA中存在线粒体自噬但缺乏吞噬是有道理的。任何容纳细胞内细菌的宿主细胞都绝对需要处理功能失调的内共生体（线粒体自噬）的手段。吞噬细菌的能力（吞噬作用）是无用的，除非细胞已经具有消化它们的细胞内机制（自噬）。今天，线粒体膜中的CL和神经酰胺向细胞质发出信号，表明内共生细胞器已准备好通过线粒体自噬消除。这可能是真核细胞中囊泡通量、自噬体和溶酶体起源的祖先状态和初始选择压力：内共生体清理。

有核细胞的许多细胞生物学特征的起源可以理解为对古菌细胞质中永久性内共生体存在所构成的挑战的进化反应，该细胞质正在成为真核细胞（5）。一旦LECA具有信号传导，线粒体自噬和溶酶体消化以处理流氓线粒体，那么多样化的真核谱系可能会在随后的胞吞和吞噬生活方式的进化中采用这种机制，其中食物颗粒从细胞外获取并在细胞内消化。由CL和神经酰胺介导的线粒体信号传导在线粒体自噬中的功能和保守的古代性表明，这些途径的出现是对LECA中线粒体的存在做出反应。

Otto Geiger et al.Multiple approaches of cellular metabolism define the bacterial ancestry of mitochondria.Sci. Adv.9,eadh0066(2023).DOI:10.1126/sciadv.adh0066

当我们细胞中的线粒体消耗氧气从营养物质中提取能量时，我们在分子水平上呼吸。线粒体是特征性的细胞器，来源于需氧细菌，并在真核细胞中进行氧化磷酸化和其他关键代谢途径。线粒体的确切细菌起源以及因此而来的我们细胞有氧代谢的祖先仍然存在争议，尽管现在有大量的基因组信息可用。在这里，我们使用多种方法来定义线粒体起源的祖先细菌最有可能的活亲戚。这些细菌生活在海洋环境中，表现出最高频率的有氧性状和基因，用于真核生物，鞘脂和心磷脂膜中存在的基本脂质代谢。