科學探秘：細胞核起源之謎

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正文

一個神奇的數值揭開一個世紀之謎，且不是天方夜譚？……從原核生物到真核生物，基因組的DNA總量大約增加了3.5個數量級。因此，僅僅用偶然的吞噬、共生或寄生來解釋真核生物的起源無論如何是難以讓人信服的!其實，正是内共生理論将人們推入了歧途，因為這絕對無法解釋在原核與真核之間為何呈現出如此巨大的基因組差異……

1. 真核——真的是靠吞噬起源的嗎？

目前提出的關于真核生物起源的最流行的理論就是所謂的内共生學說。在生物界，吞噬導緻共生的現象可能客觀存在，有些共生可能較為松散（一眼就能看出兩者的區别，如圖1），有些共生甚至連痕迹都難以覺察到，如真核細胞的葉綠體和線粒體。

圖1纖毛蟲（ ）與藻類的共生現象（x 160倍）（來源：維姆-範-伊格蒙德）

但是，按照一般的想象，靠吞噬作用獲得DNA似乎是困難的，因為如果能消化細胞壁，那裡面的DNA也可能早就被破壞了。如果是這樣的話，那即便是吞噬，DNA也應該是吞噬者的，但問題就來了，吞噬者的核從何而來呢？當然，如果被吞噬者幸運地存活下來了，情況可能就不一樣了，即一旦它們與吞噬者形成了共生關系，兩者之間的基因交流或整合就有可能了。當然，當兩個不同物種形成寄生關系時，亦可能發生類似的基因交流與整合。

此外，像綠藻這樣的真核藻類是如何形成的呢？即便假設吞噬者是真核的，由于吞噬者應該是動物性的，那吞噬者的細胞壁是如何轉化成綠藻這樣的植物性細胞壁的呢？而植物和動物的細胞壁是絕然不同的。再退一步，即便承認真核生物是一種由吞噬、共生或寄生形成的不同物種的嵌合體，但這也并未解決核的形成機制。迄今為止，幾乎所有的假說都停留于推測真核起源的可能途徑，而對演化的動因則鮮有涉及。

2. 生命演化的趨勢——DNA鍊不斷延伸

生命的演化伴随着基因組的擴增（複雜化）是不争的事實，特别是從原核演化到真核。這如何才能實現呢？多倍化以及細胞之間遺傳物質的交流或重組可能是重要途徑。譬如，細胞分裂時，如果染色體複制了但細胞未能分開，就可能出現多倍化（這樣的過程依然還在自然發生，且在人的誘導下快速地發生），這也稱之為同源多倍體（），而由不同物種雜交能産生異源多倍體（）。在同一個細胞中，不同DNA鍊也可能會自動連接起來。

真核應該是基因組大型化的必然産物。如果細胞将絕大部分DNA集中在被核膜包裹的區域就形成“核”，它在細胞有絲分裂時期呈現獨特的“染色體”現象——此時DNA高度聚集，容易被堿性染料（如龍膽紫和醋酸洋紅）着色。而在分裂間期時，DNA分散成細絲狀，稱之為染色質。

這樣，所謂真核，就是細胞的絕大多數DNA集中分布在了這樣一個區域，且十分緻密，但它也依然是一樣性質的DNA。為什麼真核要在核膜中？也許是一種秩序化管理的需要吧，在這裡，是速度和秩序孰重孰輕的問題：在簡單的細菌那裡，速度優先，而在複雜的真核生物那裡，秩序優先。細菌細胞由于沒有核膜，DNA的複制、RNA的轉錄與蛋白質的合成可同時進行，而真核細胞的這些生化反應在時空上被分隔開來，但便于有序管控。但是，過分強調核膜對真核生物演化的重要性就會迷失。此外，細菌的DNA沒有内含子，滿足了快速複制的需求。原核細胞演化出内膜系統，不需要太大的奧妙，因為，生命最不缺少的就是膜，生命的誕生之旅亦是從膜開始的。

3. DNA鍊不斷延伸的必然結果——壓縮

無論細胞分裂看起來多麼複雜而神奇，但本質就是如何将承載遺傳信息的DNA準确地分配到子代細胞中去。随着生命從簡單到複雜的演化，基因組的大型化在所難免，其結果就是DNA鍊不斷延伸，這迫使DNA進行立體結構上的調整——①将DNA集中在一定的區域并用膜隔離開來，②将長長的DNA拆成若幹段，即若幹染色體；③對鍊狀DNA進行壓縮，通過與組蛋白的合作，成功壓縮了很多倍，看上去非常的緻密。

極端地說，真核的形成過程就是一種DNA的壓縮過程！這是如何進行的呢？染色體結合有兩種蛋白質：組蛋白（一種低分子量的堿性蛋白質）和酸性蛋白質。在真核細胞的有絲分裂過程中，與組蛋白耦聯的DNA分子的壓縮能力是十分驚人的（圖2）。DNA雙螺旋在每個組蛋白8聚體表面盤繞約1.75圈（長約140個堿基對）構成核小體。相鄰核小體之間有長約50～60個堿基對的DNA連接線，在相鄰的連接線之間結合了一個H1組蛋白分子。DNA似繩，組蛋白似珠，就像成串的珠子一樣，這就是染色體的一級結構，在這裡，DNA分子大約被壓縮了7倍。螺旋體是染色體的二級結構，每一周螺旋包括6個核小體，這裡的DNA被壓縮了6倍。螺旋體進一步螺旋化，形成超螺旋管，即染色體的三級結構，這裡的DNA被壓縮了40倍。超螺旋體再折疊盤繞形成染色單體（四級結構），兩條染色單體組成一條染色體，這裡的DNA再被壓縮了5倍。這樣，DNA分子一共被壓縮了7×6×40×5=8400倍！

圖2 DNA壓縮成染色體的過程

4.真核生物DNA的壓縮原理

再來看看這種DNA的壓縮與基因組演化之間的關系。一般可用C值(C Value)來度量一種生物的基因組的大小，它指一種生物的單倍體基因組的DNA總量。細菌和古菌的C值（單位pg）的中位值約在10-3–10-2之間，而真核生物約在1-10之間，高約3個數量級。絕大多數C值落于中位數±1.5個數量級之間。此外，真核細胞略為原核細胞直徑的10倍。若考慮中位數及其上限偏移，以及細胞直徑一個數量級的差異，真核生物DNA的壓縮倍數大約應該是3.5個數量級（圖3），謝平（2016）将此稱之為真核生物DNA的壓縮原理（ ）。這與現代真核生物的DNA壓縮比（ ratio）驚人地一緻！譬如，人的染色體中DNA分子伸展開來的長度平均約為幾個厘米，而染色體被壓縮到隻有幾納米長（1 cm = 107nm）。原核生物的C值與真核生物中的原生動物和真菌亦有交集，特别是與原生動物的交集更深，這難道意味着它們可能就是真核生物的祖先嗎？

圖3根據各類生物的C值推測真核生物DNA的壓縮原理，帶箭頭的紅色虛線表示C值中位數的演化軌迹，綠色虛線表示大多數真核生物C值的主要分布區間，問号表示該類生物起源的年代仍然存在争議，C值來源于（引自：謝平2016）

值得注意的是，從C值的中位數來看，原核生物與真核生物之間相差多達3個數量級，因此，僅僅用一次偶然的吞噬、共生或寄生來解釋真核生物的起源無論如何是難以讓人信服的，而更關鍵的問題是我們還需要解釋真核生物的基因組為何急劇增大了。這可能與我們熟知的DNA的複制錯誤或多倍化現象不無關系，當然并非完全排除不同種類個體之間的側向的基因流動或整合的可能貢獻。不難理解，DNA壓縮機制的成型應該就是邁向真核生物的關鍵一步，這自然還伴随了細胞内部的結構分化、更為精巧而複雜的細胞分裂機制的發展，等等。為了支撐大型真核細胞，必須進行大量的革新，這被大量新基因的湧現所佐證。

從生态上來說，藍細菌光合放氧推進的大氣氧濃度的上升可能是複雜而耗能的真核生物出現的重要前提，因為與厭氧代謝相比，有氧代謝的效率大大提升，而生命的複雜化需要這樣的能量支撐。因此，吞噬、共生或寄生帶來的生命複雜化可能僅僅是一個小小的插曲，它們雖然是真實的，且不同物種的DNA亦可能出現一定的整合，但這依然難以解釋大小相差數個數量級的核的起源問題。

5. 真核生物的祖先之争

真核生物不會從天而降，它從更原始的原核生物演化而來亦是不争的事實。而分子進化生物學家長期糾結于真核生物到底源自真細菌還是古菌這樣的問題。他們通過基因組序列的比對發現，真核生物的一部分基因（如信息相關基因）與古菌相似，而另一部分基因（如胞質功能基因）與真細菌相似，因此認為真核生物源自真細菌和古菌的融合（）或内共生。但事實上，所有的生物都具有一個共同的祖先，因此，某一個後生物種均或多或少攜帶有若幹祖先物種的基因，而這并不能意味它就是由這些祖先物種融合而來的。況且，不同微生物之間的橫向基因流動（ ）手段衆多且十分頻繁，如果以地質年代而計，這樣的變異速率是十分驚人的。

微生物其實就是一些臨時拼湊的物種，雖然這類研究并非毫無意義，但至少對解釋核的起源難以派上用場。試問，對那些被轉來轉去的基因，我們如何知道誰才是它的原創之主呢？恕我直言，試圖用基因序列來确定所謂原核生物的親緣關系以及為此精心編造的算法或故事或許隻會是一種徒勞！

除了極少數的過渡類型外，細菌沒有核膜，染色體DNA一般為單環的不規則體，也稱之為拟核（）。細菌的染色體DNA偶爾也有呈單線性的（如博氏疏螺旋體 ）。拟核主要由DNA組成，亦含有少量的RNA和蛋白質（它們好像主要是mRNA和轉錄因子蛋白）。驅動核酸時空組織的拟核相關蛋白（- ，NAPs）與真核的組蛋白完全不同，拟核的DNA結合蛋白不形成核小體（）。

6. 如何将DNA分配到子細胞中去？

細菌在二分裂期間，複制完的子染色體分别移動到細胞的相反的末端，其機制還不甚清楚，但蛋白質可能将子染色體牽引到了細胞質膜的特定位置（圖4上）。在大部分真核生物中，在核外形成紡錘體（），在有絲分裂期間，核膜溶解，微管将染色體分離（圖4下），之後核膜重新形成。

圖4原核（上圖，大腸杆菌 coli）和真核（下圖）細胞的分裂比較（引自 and Reece 2008）

需要指出的時，無論是原核還是真核細胞，子染色體都必須要借助特定的蛋白質錨定到細胞質膜上，這樣才能将DNA正确地分配到兩個子細胞中去。隻是在原核細胞中，這種機制較為簡單，而在真核細胞中，由于要将衆多的染色體同時分開，因此演化出了複雜的紡錘體結構，但也是要連接到質膜上。或者說，在原核細胞中，不需要那麼複雜即可。

在現存的生物中，能找到原核和真核之間的過渡類型，可将它們視為細胞結構化過程的中間産物。譬如，浮黴菌門（）和海綿杆菌門（）的拟核被雙層膜所包裹（類似于真核），且具有胞内膜結構（e- ）。

7. 細胞核起源的壓縮與結構化假說（ and ）

謝平提出了一個關于細胞核起源的新學說——壓縮與結構化假說，認為細胞核起源自基因組複雜化的誘導，即在大氣逐漸氧化的背景下，地球上的生命（無論是形态結構，還是遺傳信息）加速了從簡單到複雜的演化曆程，可能主要由于DNA的複制錯誤或多倍化并在一定程度上疊加了不同種類之間的各種側向基因轉移方式以及内共生融合（）等導緻了一些原核細胞基因組的大型化。這一方面需要骨架蛋白的強化來支撐更大的細胞體積，同時通過個體生存的随機性篩選，細胞内部逐漸結構化，從而形成了複雜的内膜系統——細胞器，被膜包裹的核及其在細胞分裂中的分離方式亦是這種結構化的産物。核的成型及有絲分裂的出現主要是為了滿足将巨大的DNA分子準确地分配到子代中去的需求，這裡，如何将長鍊DNA有效地壓縮（借助組蛋白）成若幹染色體以及如何将多個染色體同時分離（借助紡錘體）是核演化的關鍵。核膜的形成雖然并非輕而易舉，但亦不會困難無比，膜有多種可能的來源，譬如，原核細胞分裂時DNA就得錨定在細胞膜上。其實，生命就起源自膜耦聯的光化學過程，細胞亦能産生各種各樣的膜。從本質上來看，包括核膜在内的細胞内膜系統就是為了實現對複雜生化系統進行秩序化管控，或者說，秩序化是通過細胞内部的模塊化得以實現的。這雖然可視之為一種自演化模型，但在壓縮原理和結構化等的基礎上，诠釋了核演化的動因與本質（謝平2016）。

結語：

DNA壓縮機制的成型應該就是邁向真核生物的關鍵一步，這當然還需要細胞内部的結構分化、精巧而複雜的細胞分裂機制等的發展。一個神奇的數值——3.5個數量級既是真核生物與原核生物C值的差異，亦是現代真核生物的DNA壓縮比（ ratio）。這絕不是偶然而無關的巧合！它是細胞核起源的數字機密，是被紛繁雜沓與變幻莫測的表象所掩蓋的演化真谛!

參考文獻

Cell：DNA複制的起源

對于DNA複制來說，其基本單元複制子受到順式作用元件和反式激活因子的調控，盡管真核生物基因組的體積和複雜性不斷提高，但是真核DNA複制依然遵循着複制子模型中的最基本規律和原則。近期Cell雜志以“ of DNA ”為題，追溯了DNA複制的起源。

DNA複制意義重大，這一途徑是細胞分裂前的必要步驟，而且也是絕大多數化療藥物的作用靶标，這些藥物通過破壞DNA複制來殺死腫瘤細胞。因此解析DNA複制機制對于基礎研究和臨床研究來說都科學家們的焦點。

DNA複制的界線

真核生物的染色體複制是有時間順序的，人們将其稱為複制時間程序（- ）。在哺乳動物中，複制時間存在着細胞類型特異性。而且在發育過程中，至少有半數基因組會發生複制時間的改變。這種改變主要是基于400–800kb的單元，即複制結構域（ ）。

來自佛羅裡達州立大學的一項新研究首次确定了這些單元的邊界，這一成果将幫助人們進一步理解複制機制和相關疾病，比如癌症。

之前的高分辨率染色體構象俘獲研究（Hi-C）發現，複制時間的早和晚對應着三維染色質隔間（ ）的開和關。而這種染色質隔間中還存在着亞結構，即拓撲相關結構域TAD。這個結構在不同細胞類型中相當保守，而且其大小與複制結構域相當。

這項研究鑒定了複制結構域的邊界，明确了它們在18種人類細胞和13種小鼠細胞中的位置。總的來說，複制結構域邊界與TAD邊界幾乎是一對一的關系。研究人員指出，TAD結構域是穩定的複制時間調控單元。

人類基因組複制的蛋白全景圖

DNA的複制過程需要多種蛋白因子的協助，這些蛋白集中在複制叉附近。研究人員通過iPOND-MS技術（ of on DNA with mass ）分離新生DNA鍊上的蛋白，并對其進行綜合性的蛋白質組學分析。他們解析了複制體中的蛋白組成，也鑒定了複制體附近的相關蛋白因子，找到了一些參與複制過程的新蛋白。

這是首次對複制體實現全面的蛋白組學鑒定。研究顯示，這些蛋白的活性各有不同，分别負責打開DNA雙螺旋、複制、修複、以及各種修飾等等。

在癌細胞中，DNA複制過程會發生異常或者變得不受控制，而這也是癌細胞的緻命弱點之一。因此目前的許多化療藥物，都以DNA複制為作用目标。研究人員計劃應用本研究中的新技術，進一步在DNA複制過程尋找正常細胞與癌細胞之間的差異，希望能夠在此基礎上開發出新的癌症治療策略。

不同尋常的DNA複制機制

傳統的DNA合成是在細胞周期的S期完成，在發現DNA結構不久後， 和 Stahl便于1958年證實了半保留DNA合成方式。他們發現兩條新的DNA 雙螺旋分子都分别是由一條DNA單鍊生成，而每個新的DNA雙螺旋分子都包含一條DNA原始鍊和一條新鍊。但是随着研究的推進，越來越多不同尋常的DNA複制被發現。

一項研究表明當由于氧化、電離輻射、複制錯誤和某些代謝産物使得染色體經受雙鍊斷裂時，細胞會利用遺傳相似的染色體通過一種涉及斷裂分子兩端的機制來修補這一缺口。為了修複失去一端的斷裂染色體，細胞會利用DNA複制機器的一種獨特構型作為一種搏命策略讓細胞得以生存。

在斷裂誘導複制過程中，DNA的一個斷裂端會與它的夥伴染色體（ ）上的相同DNA序列配對。複制以一種不同尋常的氣泡樣模式進行，通過染色體兩端的端粒由供體DNA複制出數以百萬計的DNA堿基。

這種氣泡樣的DNA複制模式可以在不分裂細胞中運作，因此這種複制有可能是癌症形成的一條潛在途徑。這一斷裂誘導複制分子機制，為突變産生提供了一種新解釋。

這種氣泡樣的DNA複制模式可以在不分裂細胞中運作，因此這種複制有可能是癌症形成的一條潛在途徑。這一斷裂誘導複制分子機制，為突變産生提供了一種新解釋。（來源：）