2021年4月28日，深圳大學(xué)高等研究院李猛教授課題組在《自然》發(fā)表了題為“阿斯加德古菌的多樣性及其與真核生物的關(guān)系”的研究長文(Article)。該項研究從我國的濱海濕地和近海沉積物到西太平洋深淵等樣品中發(fā)現(xiàn)六個阿斯加德古菌新門并建立首個阿斯加德古菌功能基因庫（AsCOG），研究還深入分析阿斯加德古菌的基因組和代謝潛能，重構(gòu)了由原核生物（細(xì)菌、古菌）和真核生物組成的生命之樹，從系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系、真核特征蛋白功能演化及生理代謝的互作等方面詳細(xì)闡釋了阿斯加德古菌與真核生物的關(guān)系，為認(rèn)識真核生物起源這一未解的生命科學(xué)之謎提供了新見解。

該項研究由深圳大學(xué)、美國國立衛(wèi)生研究院、自然資源部第三海洋研究所和農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所等單位合作完成。深圳大學(xué)高等研究院李猛教授和美國國立衛(wèi)生研究院Eugene Koonin教授為論文共同通訊作者，劉楊副研究員（深圳大學(xué)）、Kira Makarova博士（美國國立衛(wèi)生研究院）和黃文聰碩士研究生（深圳大學(xué)）為共同第一作者。

阿斯加德（Asgard）古菌，又名仙宮古菌，是最近確立的第四個古菌超門。基于基因組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)發(fā)育分析，有學(xué)者提出真核生物可能起源于阿斯加德古菌。2019，日本學(xué)者首次高度富集了一類阿斯加德古菌—洛基古菌，證實其攜帶編碼類似真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝功能的一系列基因。Science雜志將阿斯加德古菌和真核生物起源的研究列為2019年的十大科學(xué)進(jìn)展之一。因此，探討阿斯加德古菌與真核生物起源已成為當(dāng)前國際生命科學(xué)研究的前沿?zé)狳c。

最初的五個阿斯加德古菌門類均以北歐神話中的神命名，包括洛基古菌、索爾古菌、奧丁古菌、海姆達(dá)爾古菌和海拉古菌等。李猛教授課題組于2020年初在我國紅樹林濕地沉積物中率先發(fā)現(xiàn)了第六個阿斯加德古菌門，將其命名為葛德古菌（Gerdarchaeota，女巨人）。在此基礎(chǔ)上，李猛教授課題組與Eugene Koonin教授課題組等開展深入合作，對現(xiàn)有基因組和不同環(huán)境樣品的宏基因組進(jìn)行整合分析，獲得了162個高質(zhì)量的阿斯加德古菌基因組，其中75個屬于尚未報道的新基因組，從中發(fā)現(xiàn)了6個尚未被報道的阿斯加德古菌新門，其中5個門類分別以北歐神話的神命名為赫爾莫德古菌（Hermodarchaeota，赫爾莫德：神使）、巴德爾古菌（Baldrarchaeota，巴德爾：光明之神）、霍德爾古菌（Hodarchaeota，霍德爾：黑暗之神）、包爾古菌（Borrarchaeota，包爾：奧丁的父親）和卡瑞古菌（Kariarchaeota，卡瑞：風(fēng)之神），還有一個更為古老的阿斯加德古菌新分支則以中國古典名著《西游記》中大鬧天宮的齊天大圣“孫悟空”的名字命名為悟空古菌（Wukongarchaeota），以彰顯我國文化自信。分析表明，悟空古菌具備氫氧化的化能自養(yǎng)代謝潛能，顯著區(qū)別于其他阿斯加德古菌混合營養(yǎng)或異養(yǎng)的代謝模式，這也是將其命名為中國神話人物的原因。

圖一：阿斯加德古菌超門的系統(tǒng)發(fā)育分析（圖中紅色為我們新命名的7個門類），右圖為卡通人物形象。

這項研究還排除了物種和保守標(biāo)記基因的選擇方面對系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果穩(wěn)健性的影響，構(gòu)建了一個具有高物種覆蓋度的生命之樹，系統(tǒng)地分析了阿斯加德古菌和真核生物之間的進(jìn)化關(guān)系。結(jié)果顯示，真核生物起源于阿斯加德古菌內(nèi)部，即海姆達(dá)爾-悟空的共同祖先分支，或起源于其他更古老的未知古菌分支（圖二）。

圖二：阿斯加德古菌和真核生物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

該研究建立首個阿斯加德古菌功能基因庫（asCOG），發(fā)現(xiàn)大量的新型的真核特征蛋白，主要涉及胞內(nèi)物質(zhì)分泌和運輸、囊泡運輸、蛋白質(zhì)的翻譯后的修飾、更新和伴侶折疊等過程。研究還發(fā)現(xiàn)這些真核特征蛋白在12個阿斯加德古菌門中的分布較為零散，并且具有多樣的蛋白結(jié)構(gòu)域，暗示阿斯加德古菌具有顯著的動態(tài)進(jìn)化歷史過程。此外，研究還重構(gòu)了阿斯加德古菌關(guān)鍵代謝途徑的演化過程，提出了真核生物可能起源于“自養(yǎng)型阿斯加德古菌與發(fā)酵型細(xì)菌”的代謝共生模式，為解答真核生物起源這一重大科學(xué)問題提供了新的見解（圖三）。

圖三： 阿斯加德古菌關(guān)鍵代謝過程的重構(gòu)與演化

本研究受到國家自然科學(xué)基金委、廣東省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊和深圳市科創(chuàng)委等項目的資助。文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03494-3；文章背后的故事見：https://natureecoevocommunity.nature.com/posts/exploring-asgard-archaea-and-their-relationships-with-eukaryotes。

（高等研究院 供稿）