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日本學者提最新假說:細胞核演化源於巨型病毒感染

2020/9/11 — 21:17

美杜莎病毒

美杜莎病毒

我們的細胞仍有很多秘密,例如細胞核的起源。最新刊於 Frontiers in Microbiology 的論文指,去年發現的巨型病毒「美杜莎病毒(Medusavirus)」可能提供了細胞核神秘出現的線索。

細胞核的存在將真核細胞(eukaryota)與其他細胞生命形式區分。細菌和古菌趨向於簡單地在其細胞液中有一大堆自由飄落的 DNA 片段。至於像植物和動物一樣的更複雜生命,則將遺傳物質整齊地纏繞在稱為組蛋白(histone)的蛋白質周圍,這些蛋白質被藏在自己的細胞室內,即人類稱為細胞核的特殊細胞器中。

然而,生命的大部份遺傳物質如何將之儲存在細胞核內呢?

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2019 年,東京理科大學科學第一學部教授武村政春與同事發現了一種巨型病毒,該病毒可迫使被感染卡氏棘變形蟲(Acanthamoeba castellanii)形成保護厚殻,進入休止狀態。團隊認為這種狀態有如希臘神話蛇髮女妖美杜莎將人石化,因此將之命名為美杜莎病毒。

武村政春在最新的論文中,審視科學文獻並提出新的假說,嘗試解釋蛋白質如何在最初包圍 DNA 片段,變成細胞核的演化過程。

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武村政春認為早期無細胞核的真核細胞被巨型病毒感染,病毒則製造出細胞膜保護細胞內的病毒複製過程。隨著時間流逝,宿主細胞也「學懂」類似機制,保護其 DNA 免受病毒侵襲,並演化出組蛋白基因,使 DNA 更緊密地包起來,而這些基因現在也能於病毒 DNA 中找到。

病毒在受感染細胞內所用的保護膜和我們細胞核膜之間的相似性,令專家懷疑「我們的祖先細胞設計了一種類似病毒的策略,來保護其基因組免受攻擊」。

與其他病毒例如脊髓灰質炎病毒一樣,美杜莎病毒不會在宿主細胞內部製造細胞膜再複製。相反,美杜莎病毒找到進入細胞核的途徑,並利用宿主機制進行複製。因此,病毒和宿主基因組都可在複製過程中共存。

然而,美杜莎病毒確實具有如宿主卡氏棘變形蟲的組蛋白和 DNA 聚合酶(DNA polymerase)基因,表明這些基因在病毒基因組和宿主之間互有轉移,甚至有機會是變形蟲從病毒獲得了主要衣殼蛋白的基因保護自己的 DNA 。

武村政春推測一部分病毒 DNA 的複製過程可能有助宿主基因組的的複製,並在演化上證明是有利的。

巨型病毒如痘病毒(poxvirius)的大量異常遺傳物質編碼超過 400 種蛋白質,部份蛋白質可在真核生物中也找到,例如真核生物中的端帽信使 RNA(cap mRNA)的蛋白質,但這些蛋白質於細菌或古菌中未發現。

痘病毒 DNA 聚合酶的分子分析也發現其與真核細胞 DNA 聚合酶密切相關。

武村政春指,這個假設中仍有很多地方需要測試,但這確實與最前緣細胞核演化理論相吻合,該些理論指細胞核膜來自早期真核細胞的內膜;假說亦有助解釋其中可能涉及的某些過程。

來源:
Science Alert, Giant Viruses Could Explain The Mysterious Evolution of a Key Part of Our Cells, 11 September 2020

報告:
Takemura, M. (2020). Medusavirus Ancestor in a Proto-Eukaryotic Cell: Updating the Hypothesis for the Viral Origin of the Nucleus. Front. Microbiol. doi: 10.3389/fmicb.2020.571831

文/Alan Chiu

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