生命學院劉冀瓏課題組在生命第三域古菌中發現細胞蛇

ON2020-04-27文章來源 生命科學與技術學院CATEGORY新聞

在我們這個星球上,古菌代表生命的極限,被稱為生命的第三形式。我校生命學院劉冀瓏課題組發現三磷酸胞苷合酶(CTPS)在古菌中可以形成細胞蛇,證明含有細胞蛇這一結構是生命體中古老而保守的特征。該項研究成果以“CTP synthase forms cytoophidia in archaea”(三磷酸胞苷合酶在古菌中形成細胞蛇)為題于4月20日在學術期刊Journal of Genetics and Genomics (JGG,《遺傳學報》)在線發表。

古菌是原核細胞,但是對古菌核糖體rRNA的研究發現,它們與真核生物的關系比與細菌的關系更為密切。1977年,美國伊利諾伊大學科學家卡爾·沃斯(Carl Woese)和喬治·??怂梗℅eorge Fox)基于各種類型生物的小亞基核糖體核酸(SSU rRNA)基因差異將地球上的生命分為三界(后來改成“三域理論”)——真核生物、細菌和古菌。

古菌典型特征在于膜是通過醚鍵連接至甘油的支鏈烴鏈。在古菌中,這種含醚鍵的存在增加了它們承受極端環境(高鹽、高溫、酸性和厭氧)的能力。因此,古菌被認為確定了地球上生物圈的范圍,對理解地球上生命演化以及探索地外生命有著重要意義。

2010年,當時在牛津大學工作的劉冀瓏教授首次報道CTPS在果蠅中形成蛇狀亞細胞結構,將之命名為cytoophidia(細胞蛇)。十年來,CTPS被陸續發現可以在真核生物(果蠅、酵母、人類細胞和植物細胞等)和細菌(大腸桿菌菌和新月柄桿菌等)形成細胞蛇結構,表明細胞蛇存在于生命體的真核生物域和細菌域。但是,生命第三域古菌中是否存在細胞蛇并不確定。

極端嗜鹽古菌(即在高鹽環境中生存的古菌)和嗜熱古菌(即在極熱環境中生存的古菌)是古菌中耐受極端環境的代表。目前發現的絕大部分古菌還不能在實驗室條件下培養。近年來研究發現古菌棲息地其實也十分廣泛,從江河濕地到高山深海,也可以存在于人類的腸道、口腔與皮膚。例如,產甲烷的古菌存在于包括人在內的一些動物的消化系統中。

在本研究中,劉冀瓏教授和合作者選擇西班牙鹽盒菌這一極端嗜鹽古菌作為研究模型。他們發現西班牙鹽盒菌中CTPS在部分細胞中形成特殊結構,在傳統的激光共聚焦顯微鏡下呈現點狀或桿狀。研究人員利用超高分辨率受激發射損耗顯微鏡(stimulated emission depletion Microscopy, STED), 發現這些CTPS結構呈現典型的細胞蛇結構。在正常培養條件下,西班牙鹽盒菌中僅有不到百分之一的細胞中含有細胞蛇。進一步研究顯示,包括降低培養基鹽濃度等多種條件可以誘導古菌中細胞蛇的裝配。

細胞蛇在古菌域中的發現,說明細胞蛇在地球各類生命體的進化上高度保守。這項工作為細胞蛇的演化、功能和結構研究提供新的機遇。

在該論文中,上科大生命學院博士研究生周爽為第一作者,中國科學院微生物研究所向華教授為共同作者,上科大生命學院劉冀瓏教授為通訊作者,上??萍即髮W為第一完成單位。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jgg.2020.03.004

古菌中的細胞蛇

A.  激光聚焦顯微鏡下西班牙鹽盒菌的三磷酸胞苷合酶(HhCTPS)形成細胞蛇結構

B.  在傳統激光聚焦顯微鏡(Confocal)和受激發射損耗顯微鏡(STED)下的細胞蛇