Nature重要成果：真核生物出现的时间向前推进了8亿年！
2017-03-09 佚名 生物通
曾经，最早的真核生物出现的标志，是一块15.6亿岁的多细胞藻类宏观化石。MIT的研究人员使用“分子时钟分析（molecular clock analysis）”，将真核生物出现的时间向前推进了8亿年。这种方法首先通过筛选DNA数据库，跟踪特定基因序列在当代成百上千个物种之间的演变。然后，使用来自不同年龄段的化石动物和植物，来定位序列出现的最早时间。MIT地球、大气和行星科学系的教授Roger Su
曾经，最早的真核生物出现的标志，是一块15.6亿岁的多细胞藻类宏观化石。MIT的研究人员使用“分子时钟分析（molecular clock analysis）”，将真核生物出现的时间向前推进了8亿年。
这种方法首先通过筛选DNA数据库，跟踪特定基因序列在当代成百上千个物种之间的演变。然后，使用来自不同年龄段的化石动物和植物，来定位序列出现的最早时间。
MIT地球、大气和行星科学系的教授Roger Summons说:“我们再次证明了利用当代DNA技术来了解地球早期生活的可行性，由于我们并没有具体的早期生物的记录，我们有一些地理化学的信号，以及一些微化石，并且这些化石还常有争议，对于重建我们对生命史的了解，这些远远不够。我们需要的是凭借现有的丰富的生物，去了解我们的祖先是怎样活下来的。
最古老的酶
固醇，一类存在于所有真核细胞，并影响着细胞膜特性和行为的分子。例如，单细胞真核细胞可以吞食和消化食物，而大多数的细菌只能将食物分解后再吸收。于是，研究人员将目光聚焦负责固醇合成的DNA编码序列。
研究人员认为，如果可以追溯到生物合成固醇的酶类出现的时间，就可以推断出最早的真核生物出现在地球上的时间。研究组首先定位到了最早产生的，两个负责固醇生产的酶类。一是SQMO，或称角鲨烯单加氧酶，负责为角鲨烯增加一个氧原子；二是OSC，或称氧化角鲨烯环氧酶，能够折叠环氧角鲨烯分子，形成经典的四环结构的固醇（比如胆固醇）。两种酶都是固醇生物合成的第一步，随着时间的推移，慢慢发展出更多的酶来参与改善固醇的功能和效果的催化反应。随后对其遗传进化进行了研究。
追踪族谱
为了检索NCBI蛋白质数据库中成千上万的物种的SQMO和OSC序列，研究组首先设计算法，来对数据进行清洗，来高效地精选能够表达SQMO和OSC的DNA序列。然后分别对SQMO和OSC起草了系统进化树。
Summons说，当你绘制两种酶的进化树时，你会发现它们惊人的相似。对我来说这是一个令人震惊的现象。在真核生物的进化历史中，也包括一些细菌的进化，两种酶的进化总是齐头并进。特别是，你看这两个比较早期的点，这里显示着酶在真核生物和细菌间发生了基因转移。这些基因跳跃，也称作水平基因转移，标志着生命体共享这些基因的时间。
为了识别这些点，研究人员进行了“分子时钟分析”。由于这些基因突变发生的速率相对恒定，因此，该技术根据DNA的随机变化来测量时间。研究人员使用了另外一些以“拓扑结构”，或者称作“基因突变率”，为基础的算法。他们用已知的化石记录来校准算法，包括进化树内某些物种，例如古珊瑚、海星和藻类，的年龄确认。他们利用这些算法，也可以称作分子时钟，将时光倒转，来确定固醇基因在细菌和真核生物之间传递的具体时间。通过不断地调整分子时钟的运转方式，不断矫正误差，最终，所有日期都指向了一个点，23亿年前的某一天。
有关真核生物的年龄已经争论了几十年了，并且有着广泛的不同意见，Summons和同事们的研究将真核生物出现的时间范围锁定在了至少23亿年前。
解析进化
仅管地质、同位素和化学证据表明，氧气稳定地成为地球大气圈的组成部分的时间发生在大约23亿年前，但是缺乏证据来说明这种现象的原因和具体出现时间。Summons和其团队在2016年提出了“大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE）”的概念。这将佐证，真核生物差不多应该出现在这个时间附近，因为细胞膜固醇的合成需要大量的氧气。
未来，Summons团队将进一步追踪固醇（尤其是胆固醇）途径中的酶类的进化史，解开其进化的故事。多年来，人们 已经认同了DNA可以追溯人类祖先的说法，我们已经从骨骼DNA中知道了很多关于尼安德特人、丹尼索瓦人，以及其他早期人类的信息。但是，这仅是几百万年前的事情。现在要做的是从23亿年前开始追寻，并且是利用当代的DNA，通过计算生物学、分子遗传学等手段，将有助于我们从广泛而易得的现代资源中一窥数事亿年前的生物形貌。
原始出处：
David A. Gold, Abigail Caron, Gregory P. Fournier & Roger E. Summons.Paleoproterozoic sterol biosynthesis and the rise of oxygen.doi:10.1038/nature21412
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