摘要：基于低温电子断层扫描数据，艺术家对阿斯加德古菌的描绘：细胞体和附属物具有线状骨骼结构，类似于在具有细胞核的复杂细胞中发现的结构。（图片：马克斯普朗克生物化学研究所的 Margot Riggi）

基于低温电子断层扫描数据，艺术家对阿斯加德古菌的描绘：细胞体和附属物具有线状骨骼结构，类似于在具有细胞核的复杂细胞中发现的结构。（图片：马克斯普朗克生物化学研究所的 Margot Riggi）

我们最早的祖先是谁？答案可能在于一类特殊的单细胞生物，它们的细胞骨架与动物和植物等复杂生物的细胞骨架相似。研究人员在一项新研究中得出了这些结论。
十年前，没有人知道阿斯加德古菌的存在。然而，在 2015 年，研究人员在研究深海沉积物时发现了基因片段，这些片段表明存在一种新的、以前未被发现的微生物形式。
在计算机的帮助下，研究人员像拼图一样将这些片段组装起来，编制了整个基因组。直到那时，他们才意识到他们正在处理一群以前未知的古菌。
与细菌一样，古菌是单细胞生物。然而，从遗传学上讲，这两个域之间存在显著差异，尤其是在它们的细胞膜和代谢过程方面。
经过进一步研究，微生物学家确定了相应的生物，对它们进行了描述，并将它们归类为一个单独的古菌亚群：阿斯加德古菌。它们的名字取自北欧神话中的天国，指的是它们最初是在洛基城堡附近发现的——洛基城堡是挪威和斯瓦尔巴群岛之间大西洋中脊上的一个黑烟囱。
事实上，阿斯加德古菌似乎是研究的天赐之物：它们原来是古菌和真核生物之间缺失的一环——也就是说，古菌和细胞含有细胞核的生物体，如植物和动物之间的一环。

近年来，研究人员发现越来越多的迹象表明阿斯加德古菌与真核生物之间存在密切联系，而后者可能是由古菌进化而来的。所有生物都分为细菌、古菌和真核生物三个域，这一惊人发现并不符合这一划分。

重新绘制生命之树，真核生物起源于阿斯加德古菌。（图片来源：Florian Wollweber / 苏黎世联邦理工学院）

此后，一些研究人员提出将真核生物视为阿斯加德古菌的一个群体。这将把生命域的数量从三个减少到两个：古菌（包括真核生物）和细菌。
苏黎世联邦理工学院的 Martin Pilhofer 教授和他的团队对阿斯加德古菌非常着迷，并研究这种神秘的微生物已有数年。在两年前发表在《自然》杂志
上的一篇文章中，研究人员探索了Lokiarchaeum ossiferum的细胞结构和体系结构的细节。这种阿斯加德古菌起源于斯洛文尼亚一条咸水水道的沉积物，由维也纳大学 Christa Schleper 实验室的研究人员分离出来。在那项研究中，Pilhofer 和他的博士后研究员 Jingwei Xu 和 Florian Wollweber 证明也具有某些真核生物的典型结构。 “我们在该物种中发现了一种肌动蛋白，它与真核生物中的蛋白质非常相似 - 并且存在于迄今为止发现的几乎所有阿斯加德古细菌中，”Pilhofer 说。在第一项研究中，研究人员结合了不同的显微镜技术来证明这种称为 Lokiactin 的蛋白质形成丝状结构，尤其是在微生物的众多触手状突起中。“它们似乎构成了阿斯加德古细菌复杂细胞结构的骨架，”Florian Wollweber 补充道。除了肌动蛋白丝，真核生物还具有微管。这些管状结构是细胞骨架的第二个关键组成部分，由众多微管蛋白组成。这些微小的管道对于细胞内的运输过程和细胞分裂过程中染色体的分离非常重要

扩展显微镜是一种新型光学显微镜技术，它展示了阿斯加德古菌的细胞骨架：肌动蛋白丝（绿色），右图中为微管（紫色）（图片来自：Wollweber F, et al. Cell, 2025）

这些微管的起源一直不清楚——直到现在。在一篇新发表在《细胞》杂志上的文章中，研究人员在阿斯加德古菌中发现了相关结构并描述了它们的结构。这些实验表明，阿斯加德微管蛋白形成的微管非常相似，尽管比真核生物亲属中的微管小。
然而，只有少数洛基古菌细胞形成这些微管。而且，与肌动蛋白不同，这些微管蛋白只出现在极少数的阿斯加德古菌物种中。
科学家们还不明白为什么微管蛋白在洛基古菌中如此罕见，也不明白为什么细胞需要它们。在真核生物中，微管负责细胞内的运输过程。在某些情况下，马达蛋白会“沿着”这些管道行走。研究人员还没有在阿斯加德古菌中观察到这样的马达蛋白。
“然而，我们已经证明，由这些微管蛋白形成的管道在一端生长。因此，我们怀疑它们发挥着与真核生物微管类似的运输功能，” 《细胞》研究的共同第一作者徐静伟说。他在昆虫细胞的细胞培养中产生了微管蛋白并检查了它们的结构。
来自微生物学、生物化学、细胞生物学和结构生物学领域的研究人员在这项研究中密切合作。“如果没有这种跨学科的方法，我们永远不会取得如此大的进展，”皮尔霍夫自豪地强调道。
细胞骨架对复杂生命的发展至关重要吗？虽然一些问题仍未得到解答，但研究人员确信细胞骨架是真核生物进化的重要一步。
这一步可能在很久以前就发生了，当时阿斯加德古菌用它的附肢缠绕住了一个细菌。在进化过程中，这种细菌发展成为线粒体，它是现代细胞的动力源。随着时间的推移，细胞核和其他部分也进化了——真核细胞诞生了。
“这种非凡的细胞骨架可能处于这一发展的开始阶段。它可能使阿斯加德古菌能够形成附肢，从而使它们能够与细菌相互作用，然后抓住并吞噬细菌，”皮尔霍夫说。

Pilhofer 和他的同事现在计划将注意力转向肌动蛋白丝和古细菌微管蛋白的功能以及由此产生的微管。
他们还旨在识别研究人员在这些微生物表面发现的蛋白质。Pilhofer 希望他的团队能够开发出针对这些蛋白质的精确抗体。这将使研究人员能够在混合微生物培养物中专门“寻找”阿斯加德古细菌。
“我们仍然有很多关于阿斯加德古细菌的未解之谜，特别是关于它们与真核生物的关系及其不寻常的细胞生物学，”Pilhofer 说。“追踪这些微生物的秘密令人着迷。”

Wollweber F、Xu J等人。《阿斯加德古菌中的微管》，Cell，2025 年 3 月 21 日在线发表，DOI 10.1016/j.cell.2025.02.027
Rodrigues-Oliveira, T.、Wollweber, F.、Ponce-Toledo, RI等人。《阿斯加德古菌中的肌动蛋白细胞骨架和复杂细胞结构》。《自然》 613，332-339（2023 年）。DOI：10.1038/s41586-022-05550-y

来源：人工智能学家