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麻省理工学院的研究表明,地球上复杂的生命始于23.3亿年前

时间:2018-05-15 点击:1 字号:

em在一篇新发表的研究中,来自MIT的科学家揭示了证据,真核生物 - 包括动物,植物和原生生物的生命的领域 - 早在23.3亿年前就已存在于地球上,正是在氧气变成永久的时候夹在大气中。 / em

对现代生物体的详尽的遗传分析揭示了地球早期复杂生命形式的新见解。

今天,MIT地球科学家在Nature上发表的研究结果显示, / em暗示真核生物 - 包括动物,植物和原生生物在内的生命的领域 - 早在23.3亿年前就已经存在于地球上了,就在氧气成为大气中的永久固定物的时候。

古代生物的这个新时间标记显着早于化石记录中发现的真核生物的早期迹象,这些化石记录了15.6亿年前的宏观化石,科学家普遍认同这些化石是多细胞藻类生物的遗骸。

麻省理工学院的研究人员并没有通过对化石证据的岩石进行研究,而是通过使用一种称为“分子钟分析”的技术来达到他们的估计。这种方法首先筛选DNA数据库以追踪数百个现代物种中特定基因序列的进化。然后,利用来自化石动物和植物亲缘的年龄,这些序列可以及时落后于这些序列必须在祖先真核生物中表达的最早点。

麻省理工学院地球,大气与行星科学系(EAPS)地球生物学教授Roger Summons说:“我们再次证明了使用现代DNA提供早期生活见解的可行性。 “我们没有早期生活的具体记录。我们有几个化石微生物,这些微生物常常有争议,还有一些地球化学信号,但仅仅重建知情的生命史还不够。我们要说的是,你可以看看今天这个星球上有什么,你可以告诉一些关于这些有机体的古代祖先在做什么的重要事情。“

该分析由Summons和前主要作者,现任加州理工学院博士后的David Gold,以及麻省理工学院高级研究助理副教授Abigail Caron和Cecil和Ida Green职业发展助理教授Gregory Fournier进行。 EAPS。

最古老的酶

该团队将其基因搜索的重点放在编码甾醇生物合成的DNA序列上,这是一种在所有真核生物中发现的影响其细胞膜特征和行为的分子。

“[甾醇]决定了膜如何改变形状并调节行为 - 例如吞噬一块食物的能力,”Summons说。 “单细胞真核生物可吞噬并消化其食物,而大多数细菌在摄入食物之前必须排泄酶来分解某些东西。”

该组织研究了前两种参与甾醇生产的酶的遗传进化:SQMO或角鲨烯单加氧酶,其将氧原子插入角鲨烯中;和OSC或氧化角鲨烯环化酶,其将氧化角鲨烯分子折叠成甾醇的经典四环配置,其中最知名的例子是胆固醇。

这两种酶代表了甾醇生物合成的开始步骤,随着时间的推移,它已经发展到包括许多能改善甾醇功能和效果的酶。研究人员推断,如果他们能够追溯甾醇生物合成的第一步中酶的进化,那么他们就可以推断出一些最早的真核生物何时出现在地球上。

追踪一棵树

该团队在美国国家生物技术信息中心蛋白质数据库中搜寻SQMO和OSC,该数据库是数千种现代物种的基因序列的大量汇编,由全世界的科学家贡献。研究人员编写了算法,通过遗传数据有效剔除,寻找表达编码SQMO和OSC的DNA序列的物种。

然后,他们绘制了每一种酶的系统发育树 - 一个分支图,显示表达SQMO或OSC的物种之间的进化关系。

“当你为两种酶绘制树木时,你会发现它们很相似,”Summons说。 “对我来说,这是一个惊人的事实:真核生物树中这两种酶的历史,还包括一些细菌,看起来非常接近完全相同。基因总是一起移动。在旁边找到没有其他人的人是非常罕见的。“

研究人员特别注意到两个进化树的早期点,看起来每种酶都是在真核生物和细菌之间进行遗传转移的。这些基因跳跃被称为水平基因转移,标志着生物体共享这些基因的时代。

为了确定这些观点,研究人员进行了“分子时钟分析”,这是一种根据DNA随机变化测量时间的技术,因为这些突变以相对恒定的速率发生。 Summons和他的同事在每个进化树中使用了基于“拓扑”或基因突变率的其他算法。

他们利用已知化石记录的数据对算法进行了校准,包括每棵树内某些物种的确认年龄,包括古代珊瑚,海星和藻类。然后他们运行算法 - 他们的分子时钟 - 及时落后,以确定甾醇基因何时在细菌和真核生物之间转移。以微妙不同的方式运行时钟以及错误传播,给出了约23亿年前约一点的日期。

Summons说:“真核生物的时代已经有数十年的历史了,有很多不同的观点。 “我们正在推出我们认为重要的证据,即我们认为甾醇至少在23亿年前被制造出来,并且最早的真核生物在这里至少已经存在了这么长时间。”

进化,解开

在2016年,Summons的小组确定另一个生命转换事件发生在大约23亿年前:氧气成为地球大气中的永久固定物,现在被称为大氧化事件。 Summon说,真核生物可能在同一时间存在的可能性是合理的,因为它们需要大量的氧气来合成甾醇以维持其细胞膜。

展望未来,该团队计划追溯甾醇途径中进一步降解酶的进化历史 - 尤其是涉及合成胆固醇的那些 - 再次通过使用现代基因序列,如Summons所说,“解开它的进化故事”。

Summons说:“人们已经认识多年,他们可以研究DNA的祖先,包括人类的祖先。 “我们知道很多关于尼安德特人,丹尼索瓦人和其他早期人类与骨骼中DNA片断之间的联系。但这是几百万年前的预测。我们正在预测23亿年。所以我们展示了现代DNA可以用来了解几十亿年前生命史上的重大事件。“

这项研究部分得到了西蒙斯基金会,Agouron研究所和国家科学基金会的支持。

出版物:David A.Gold等,“古元古代甾醇生物合成和氧的升高”Nature(2017)doi:10.1038 / nature21412

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

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