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    我国学者在“线粒体起源世纪之争”研究方面取得进展

    日期 2020-07-16   来源:生命科学部   作者:范陆 张传伦 朱瑞新 杜全生 冯雪莲  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:91851210、91951120、41530105、81774152)等资助下,同济大学附属普陀人民医院(筹)和生物信息系朱瑞新课题组、南方科技大学海洋科学与工程系张传伦与范陆课题组,联合德国杜塞尔多夫大学威廉•马丁(William F. Martin)等,揭示了真核线粒体与Alpha变形细菌之间进化关系上的最新细节,相关研究成果以“基于系统性物种抽样的系统发生学分析证明线粒体起源于Alpha变形菌(Phylogenetic analyses with systematic taxon sampling show that mitochondria branch within Alphaproteobacteria)”为题,于2020年7月14日在线发表在《自然•生态与进化》(Nature Ecology & Evolution)杂志上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41559-020-1239-x。

      地球上的生命形态包括细菌(Bacteria)、古菌(Archaea)和真核生物(Eukarya)三大类。这三大类生命的起源方式,是根本性的世界级科学问题之一。其中,细菌和古菌可能起源于40-35亿年前的地球。而早在1905年,米热秋沃斯基(Merechowsky)就提出了线粒体起源的“内共生”假说。目前的广为接受的观点认为,真核细胞是在约20-18亿年前一个细菌融合进一个古菌细胞产生的,被融合的细菌与古菌宿主形成了内共生关系,并逐渐进化成了现代真核生物中最重要的细胞器——线粒体。线粒体不但是有氧呼吸生物的能量工厂,更是与人类的疾病和衰老密切相关。研究与真核细胞起源直接相关的细菌和古菌类群,能够帮助我们了解真核生命起源的时间、化学过程、代谢机制和古地球生态,更能揭示新生命形式形成的细节,为合成生物学领域的技术创新提供重要线索。

      Alpha变形细菌是否被阿斯加德(Asgard)古菌融合是目前真核生命起源研究的焦点问题。其中,对于线粒体是否起源于Alpha变形细菌,以及起源于哪类Alpha变形细菌一直存在激烈争论。由于进化时间久远(18亿年以上),现有的分子进化学证据非常有限。在当前系统发育分析的模型框架下,分子序列的异质性使得进化分析容易受到系统性误差的巨大影响,包括长枝吸引效应和GC偏差引起的趋同现象,最终造成得到假阳性进化关系。

      2018年乔兰•马丁(Joran Martijn)等人发表在Nature杂志上的论文采用“去除异质性位点”的方法降低分子序列异质性,得出“线粒体并非起源于Alpha变形细菌”的争议性结论。该方法在优化模型拟合度的同时,却也增加了信息丢失和模型过拟合的风险,同时其结论究竟反映了真实的进化历史,还是系统发育分析得到的假阳性结果?由此,线粒体的起源更加扑朔迷离,亟需进一步深入探究和解答。

      为了厘清这个难题,本研究团队首先在线粒体和Alpha变形细菌的蛋白序列中,使用多种“去除异质性位点”的预处理方法,通过进化分析检验该预处理步骤对物种进化关系的影响,系统性地证明了“去除异质性位点”方法在解答线粒体起源问题时具有极大的不确定性,导致假阳性结果。该研究团队随后开创性地运用了系统性物种替换和多方法相互验证的策略,通过对100多个贝叶斯系统发育树的结果进行比较统计,结合模型拟合度检验,在保持了进化信息完整性的同时,降低了系统性误差。这些创新性方法首次定义了Alpha变形细菌四个进化主类群,而线粒体则起源于一个含有各类海洋细菌和内共生菌的Alpha IIb分支(如图)。

      这一发现对过去几十年来有关线粒体起源的系统发生学的方法问题进行了系统梳理,并将目前争议较大的线粒体起源问题重新拉回到Alpha变形细菌的框架中来,并获得了迄今为止线粒体与Alpha变形细菌之间最精确的进化关系。该研究为接下来寻找线粒体的最近祖先的研究提供了重要的研究指导和可靠的方法学基础。

    图. 线粒体起源于Alpha变形细菌的IIb分支,与立克次氏体目(Rickettsiales)的内共生菌和一些尚未被鉴定的海洋浮游菌具有共同的祖先