在研究人员寻找配子性融合能力的起源时，他们正在研究原始古细菌和病毒中的相关基因。
Quanta 杂志的 Camille Chew
大多数复杂的生物在它们生命中的某个时刻都会进行一些奇怪的基因组数学运算：要相乘，它们先减去再加。也就是说，为了通过减数分裂过程进行繁殖，它们会产生特殊的性细胞或配子，其染色体数量只有通常的一半；然后，他们将这些配子对合并，创造出具有完整、独特基因组的新个体。有性生殖在真核生物中几乎无处不在——从海带到考拉的生物体都有膜结合的细胞核和细胞器。我们动物融合了一个精子和一个卵子；蘑菇从真菌线的地下碰撞中发芽；花粉通过花组织发送管子以加入胚珠，在它们相遇的地方产生果实和种子。
然而，像这样融合细胞却与正常的细胞生命周期背道而驰。细胞通过有丝分裂一分为二进行无性繁殖，但除此之外，它们主要防止其完整性受到重大破坏，这可能会扼杀它们的谱系。
为什么这种在进化中流行的危险安排一直是深入研究的主题；人们普遍认为，有性重组有助于保持物种基因组的健康和多样性，足以抵消风险。但研究人员也一直在拼凑关于它如何进化的分子线索。
在整个自然界中，像卵子和精子这样的配子细胞会融合产生新的遗传个体或受精卵。但在性之外，这类融合事件对于真核生物来说远非常规。
Clouds Hill Imaging Ltd/SPL/Science Source
现在，最近在 biorxiv.org 预印本服务器上分享的研究表明，一些细胞在其进化历史上就具有融合膜的能力。使这部分有性生殖成为可能的分子机制可能早在 20 亿年前就存在于称为古细菌的简单原核细胞中，可能比真核生物和有性进化早了 10 亿年。但新发现也暗示了为什么这种用于有性生殖的细胞融合没有出现在生命历史的早期，而它似乎有可能出现。
广泛的融合蛋白家族
在真核生物的整个家族树中，相同的蛋白质使配子的细胞膜和核膜能够融合：HAP2。以色列耶路撒冷希伯来大学的细胞生物学家迈克尔·布兰代斯说，因为真核生物之间普遍共享它，“共同的祖先一定有相同的机制”。
但是这个最后的真核生物共同祖先可能不是这种蛋白质的原始载体。 HAP2 属于“融合蛋白”超家族，其中包括一类蛋白质，一些病毒使用这些蛋白质将其病毒包膜与细胞膜融合。对于进化生物学家来说，HAP2 与这些病毒融合蛋白的关系构成了一个“病毒还是卵子”之谜。第一个融合蛋白是在古代真核生物中进化出来的，只是为了自己的目的而被病毒窃取吗？或者融合蛋白是真核生物在某些时候为配子融合而采用的病毒发明？寻找最古老的融合蛋白形式，所有真核生物和病毒衍生物都是从这种蛋白质进化而来的，对于了解这些答案至关重要。
古细菌是寻找答案的天然场所。因为它们被认为是真核生物的祖先——它们是成为线粒体和叶绿体的共生细菌的原始宿主——所以古细菌展示了真核生物家族树的基础之下的东西。此外，研究人员已经追踪了在减数分裂过程中参与遗传物质管理和重组的基因起源于古细菌。 （古细菌似乎利用这些基因的特殊能力来修复其他基因。）因此，在这项新研究背后，来自以色列、瑞典、阿根廷、乌拉圭和其他国家的科学家的国际合作开始了他们寻找答案的地方。
HAP2 蛋白（如此处建模的蛋白）使配子膜能够融合。 HAP2 的结构将其与在包括病毒在内的多种生物体中具有相似功能的融合蛋白超家族联系起来。
以色列海法理工学院的Benjamin Podbilewicz 、瑞典卡罗林斯卡研究所的Luca Jovine 、阿根廷生理学、分子生物学和神经科学研究所的Pablo Aguilar及其同事预测了古细菌中假设的融合蛋白可能是什么样子，基于现代真核生物中HAP2的结构和蛋白质序列。进一步的工作，包括对基因组数据库的扫描，使他们发现了 96 个古细菌基因，这些基因似乎可能产生形状与预测的融合蛋白结构惊人相似的蛋白质，并在各处进行了一些调整。研究人员将这些古细菌基因称为fsxA 。
似乎该团队在古菌基因组中发现了古老的融合蛋白，这是该生命领域中首次发现的。但不能保证这些蛋白质在活细胞系统中会表现得像融合蛋白。
因此，Podbilewicz 和他的同事将这些基因的低语潜力变为现实。他们将fsxA整合到培养的仓鼠肾细胞中，并实现了基因的表达。通过将一些细胞修饰为具有荧光红色细胞核，将其他细胞修饰为具有荧光绿色细胞核，研究小组可以检查细胞是否使用推定的古细菌融合蛋白进行融合。
这正是他们所看到的。在产生 FsxA 蛋白的细胞中，绿色和红色细胞核的混合频率是未改变细胞中细胞核的五倍，因为带有fsxA基因的细胞正在融合，就好像它们是一对配子一样。
研究人员认为，古细菌中功能性融合蛋白的存在可能意味着性分子工具早于真核生物的进化。根据他们对基因的进化分析，他们认为这些古菌融合蛋白是迄今为止发现的最原始的蛋白质形式，可能已有数十亿年的历史。
融合前的功能
巴西圣保罗大学的进化生物学家Paulo Gonzalez Hofstatter没有参与这项研究，他认为这些发现填补了我们对进化史知识的空白。 “但在某种程度上，它也有点可预测，”他说，“因为减数分裂的整个机器基本上都起源于古细菌。”
它也可能不是关于融合蛋白起源的最终决定。 Hofstatter 警告说，最古老的融合蛋白仍有可能是病毒性的：来自病毒蛋白的基因可能已经进入古细菌，然后进入真核生物。
无论融合蛋白是否真的是一项古菌创新，这项新工作都对这些蛋白质的原始功能提出了重要问题。
伦敦大学学院的进化遗传学家Andrew Pomiankowski指出，虽然 FsxA 蛋白在哺乳动物细胞中表达时似乎允许细胞融合，但这些所谓的融合蛋白在古细菌中的作用仍然未知。与细菌相比，古细菌的内部运作更难探索，因为在实验室环境中培养古细菌往往要困难得多，通常需要极端高温或压力等强烈的环境条件。
尽管如此，他还是赞扬了 Podbilewicz 和他的团队所采取的方法。 “他们提出了完全正确的问题：这个[融合]基因到底在原核生物中做了什么？”他说。
一种可能性是融合蛋白帮助古细菌进行一种与性过程大致相似的基因交换。 Hofstatter 指出，一些古生菌进行有限形式的细胞融合和 DNA 重组，这与减数分裂有点相似。 “它们只是融合、重组，然后再次分裂，”他说。
横向转移的替代品
融合蛋白如何从古细菌进入真核生物也远非显而易见。对于霍夫斯塔特来说，最可能的解释是从古生菌直接（或“垂直”）遗传到成为支撑所有真核生命的古细菌共生体中的宿主细胞的谱系。从本质上讲，真核生物可能就是以这种方式出生的，重新利用了它们祖先的旧把戏。
但有理由对这种解释保持谨慎。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的微生物学家雷切尔·惠特克 ( Rachel Whitaker ) 惊讶地发现，该团队在嗜盐古细菌 Halobacteria 中发现了融合蛋白，但在 Crenarchaeota 中却没有发现，而 Crenarchaeota 被认为与真核生物比嗜盐杆菌。
研究人员发现的一个潜在的重要细节是fsxA基因存在于称为整合移动元件的古生菌基因组的特殊部分中，这些部分可以在基因组内移动，甚至转移到其他个体的基因组，有时跨越物种障碍。
如果这些融合蛋白基因确实有点飘忽不定，那么推测最早的真核生物有可能从古细菌细胞中获取这些跳跃融合基因，然后在“exaptation”的一个例子中对这些基因进行重组，使其在配子融合中发挥作用，即进化旧特征的新用途。曾被用于古菌细胞之间有限遗传转移的融合蛋白随后可能为有性生殖的进化播下了种子——研究人员在他们的预印本中开玩笑地称之为“真核生物性适应”。 （Podbilewicz 和他的同事拒绝就本文接受采访，等待对他们的研究进行同行评审。）
在绿藻水绵中，有性繁殖是通过来自不同交配类型的细丝中的细胞“结合”或融合而发生的。深色的椭圆形是通过这种融合产生的新受精卵的细胞核。
埃德·雷施克
无论如何，古代古细菌可能具有这些融合蛋白的发现对我们理解真核生物的进化具有重要意义。事实上，它可能会提供线索，说明为什么性细胞融合没有在原核生物中起飞，即使它的分子基础存在。解决方案可能在于古细菌从彼此和环境中收集新基因的方式，但也在于原始融合蛋白存在于移动遗传元件中这一事实。
Pomiankowski 解释说，像古细菌这样的原核生物可以通过病毒感染或通过质粒（可以在细胞之间跳跃的遗传物质片段）交换基因。但他们也可以从环境中提取 DNA 并将其重组到他们的基因组中，这一过程称为转化。 Pomiankowski 说，这些基因交换做法可能有助于维持古细菌基因组，通过引入新的、潜在有用的基因并减少有害基因变异的积累。
但是，一旦古细菌和细菌作为真核生物永久地联合起来，这些细胞就会变得越来越复杂，它们的基因组也会迅速膨胀。因此，旧的“横向基因转移”策略可能已经站不住脚了。
“横向基因转移的缺点是，如果你有一个更大的基因组，它会变得越来越不好，”Pomiankowski 说。 “[如果]你只是从环境中挑选出一点 DNA，那么它匹配的概率是多少？这是基因组大小的递减函数。”
细胞融合——通过重新利用的祖先融合蛋白实现——可能通过允许更协调、更大规模的基因交换：有性生殖，在向真核生物的过渡中发挥了重要作用。这种根本性的转变可能更适合维持初出茅庐的真核基因组。
有答案的有机体
另一种可能性是配子融合的进化主要不是为了真核生物本身的利益。相反，它可能服务于雄心勃勃的基因的操纵性自我保护目的。由于古菌融合蛋白与可移动的遗传元素密切相关，Pomiankowski 认为融合蛋白可能是“某种为了自身利益而想要引起细胞间融合的元素”。在整合的移动元件的帮助下，融合蛋白基因可能促进了自身的增殖，首先通过原核融合，然后通过真核融合和遗传交换。
但 Pomiankowski 承认，这一理论取决于古生菌中整合的移动元素是真正的跳跃基因，这是不确定的。这种转座因子在原核生物中相当罕见。对于人类来说，“你是 50% 的转座因子，”Pomiankowski 说。 “但对于细菌，它就像 0.5%。”
细胞融合是有性生殖的重要组成部分，但在古细菌的基本融合与精子和卵细胞的融合之间还有许多其他进化步骤。研究这种进化转变可能意味着寻找和研究尽可能接近真核生物最后共同祖先的生物。
Hofstatter 认为，这可能意味着更仔细地研究称为鞭毛虫的单细胞真核生物，它们在水生栖息地中高度多样化且丰富，被认为与真核生物的最后共同祖先非常相似。 “了解性起源的关键是对一些迄今为止尚未在文化中的鞭毛虫进行采样，”他说。
另一个值得关注的地方是神秘的Asgard古细菌谱系，它仅在几年前被描述，被认为是真核生物的近亲。他们或许能够为细胞融合和其他过程如何结合起来创造性的问题提供一些解决方案，从而迎来充满活力、繁华的真核生物生命。