11月24日，中國科學院深圳先進技術研究院司同課題組與南方科技大學張傳倫教授課題組合作，在國際學術期刊Angewandte Chemie International Edition發表研究論文“Biosynthesis of Hybrid Neutral Lipids with Archaeal and Eukaryotic Characteristics in Engineered Saccharomyces cerevisiae”。
作者依托深圳合成生物研究重大科技基礎設施（以下簡稱合成生物“大設施”）利用釀酒酵母作為底盤，首次在真核細胞中實現古菌來源極性細胞膜脂的異源合成，意外觀測到兼具真核特征和古菌特征的雜合中性脂（DGGGO-FA）。作者進一步解析了該類新穎化合物的合成機制，通過生信分析及實驗表征，提出并部分驗證了古菌可能合成類三酰甘油（TAG）分子用于能量儲存的假說，對科學界的普遍認知提出挑戰。
文章上線截圖
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202214344
生命之樹分為三個領域：細菌（Bacteria）、真核（Eukarya）及古菌（Archaea）。1977年，美國微生物學家Carl Woese通過16S/18S rRNA序列系統發育分析偶然發現了古菌，據此將原核生物分為兩大類：細菌和古菌，與真核生物一起構成了生命起源的三域系統生命樹假說（Three-Domain）。1988年，James Lake基于核糖體結構類似性及進化簡約性分類方法，揭示了真核生物是古菌的一個分支，暗示著真核生物可能來源于古菌，提出了二域系統生命樹假說（Two-Domain）。古菌是單細胞原核微生物，無細胞核、無內膜系統、具備環狀基因組及缺乏剪接體內含子，在細胞結構、代謝方面與細菌接近；但在DNA復制、轉錄和翻譯等生物學中心過程上，則與真核生物更密切。人類屬于真核生物。古菌是真核生物的兄妹（三域假說），還是父母（二域假說）？這是生命演化的重大問題之一。
宏基因組技術的發展導致了Asgard古菌的發現，許多Asgard古菌的基因組攜帶大量真核標記蛋白（Eukaryotic Signature Proteins，ESP）編碼基因，在演化關系上是目前與真核生物起源距離最近的原核生物。Asgard古菌的發現被認為傾向支持二域系統生命樹假說：約在18-20億年前，Asgard譜系的古菌祖先首先獲得了原始的細胞骨架系統，具有膜變形和核內體物質分選運輸的能力，然后與alpha變形菌門的細菌發生了“內共生”，并逐漸進化成現代真核生物中最重要的細胞系-線粒體，成為真核生物起源的關鍵一步。
然而，內共生學說也面臨許多挑戰，其中一個重要的未解之謎，是為何現存組成真核細胞與古菌細胞的細胞膜脂分子骨架具有相反的手性？現代細菌和真核細胞的膜脂主要由甘油-3-磷酸（sn-glycerol-3-phosphate，G3P）為骨架，而古菌細胞膜則以甘油-1-磷酸（sn-glycerol-1-phosphate，G1P）為基本母核結構，這一現象被稱為膜脂分界（Lipid Divide）。這一現象極其不同尋常，因為組成地球生命的有機分子通常具有單一手性，如L型氨基酸、D型核苷酸等。基于內共生理論，現代真核細胞應該來源于古菌宿主，但是其細胞膜脂的手性卻與古菌相反、與被內吞的細菌類似。膜脂分界和二域生命樹看似存在不可調和的矛盾，這是真核起源的重大謎題之一。在之前的研究中，科學家們基于脂質體（liposome）、細菌等構建了兼具G1P和G3P的雜合膜脂模型，但尚未成功構建真核-古菌雜合模型，以更直接的研究真核膜脂起源的問題。
釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是一種模式真核微生物，具有詳盡的遺傳生化研究和豐富的合成生物學工具，是研究古菌-真核膜脂演化的理想宿主。依托合成生物“大設施”，作者采用模塊化DNA組裝方法，規模化構建了古菌細胞膜極性脂的生物合成通路，在酵母底盤中“即插即用”式引入產甲烷古菌、硫化古菌、Asgard古菌等不同來源的關鍵合成基因，成功合成了具備古菌醚鍵特征的極性脂（圖1）。基于這一模型，作者發現釀酒酵母中竟然也具有合成G1P能力。與此同時，作者首次獲得生化實驗證據，支持Asgard古菌來源的GGGPS、DGGGPS酶可以合成兼具G1P、G3P手性的雜合膜脂（圖 2）。這些觀察說明膜脂分界并非像人們原來認為的那樣嚴格。
圖 1 重組酵母中古菌特征脂類合成途徑（藍色背景）及酵母內源脂類合成途徑（黃色背景）。
圖 2 a，重組酵母Gty-Ma脂類合成，離子峰1-4：古菌極性脂；藍色背景離子峰：5，不飽和古菌醇DGGGOH；其他，DGGGO-FAs；黃色背景離子峰：酵母內源TAG。b，古菌細胞膜極性脂類合成關鍵酶/通路功能表征。
值得注意的是，作者在重組酵母中意外發現了一系列中性脂分子（圖2，藍色背景離子峰）。作者利用NMR、高分辨質譜、串聯質譜等多種分析手段，指認該類化合物的分子結構為新穎的雜合中性脂DGGGO-FAs，同時含有古菌醚鍵特征和細菌脂肪酰基特征。基于基因敲除、回補等方法，作者探究了DGGGO-FAs的生物合成機制，發現釀酒酵母中二酰甘油酰基轉移酶DGAT是關鍵合成酶，催化DGGGOH古菌醇和Acyl-CoA縮合產生DGGGO-FA。
令人興奮的是，作者在古菌蛋白數據庫中開展DGAT序列同源檢索，發現其同工酶序列在古菌域中廣泛分布。作者選取了來源于深古菌門（Candidatus Bathyarchaeota）、廣古菌門（Euryarchaeota）的DGAT序列，通過在酵母中異源表達，證明了古菌DGAT酶具有合成DGGGO-FA的能力，同時也可催化合成TAG分子。自然界中，聚羥基脂肪酸酯（PHA）、TAG及蠟酯（Wax Ester）等中性脂通常被用于能量貯存，其中真核及細菌主要利用PHA、Wax Ester和TAG、古菌主要利用PHA。本研究中，作者首次證明古菌中廣泛存在DGAT酶（圖 3），并通過生化實驗證明其合成DGGGO-FAs的能力，有望改寫科學界對古菌能量儲藏形式的認知。然而，尚不清楚自然環境中古菌能否合成DGGGO-FA類中性脂，因此本研究提出的假說仍有待于進一步驗證。
圖 3 DGAT同工酶在細菌、真核及古菌域中廣泛分布。
總之，真核生命起源依然有許多爭議和未解之謎，而合成生物學可以提供新思路和新方法。本研究的局限之一是酵母模型中古菌細胞膜極性脂的含量仍然較低，未能令人信服的回答雜合細胞膜能否在真核細胞中穩定存在的問題。未來，作者計劃結合代謝工程等方法，提高古菌膜脂異源合成效率，研究膜脂手性對于真核細胞生理、脂類亞細胞定位等關鍵生命過程的影響，持續探究真核細胞膜脂起源和演化的謎題。
中國科學院深圳先進技術研究院張建志助理研究員為第一作者，司同研究員為通訊作者。
該研究得到了國家重點研發計劃（2021YFA0910800和2020YFA0908500）、國家自然科學基金（32101179, 32071428, 91851210）、海洋地球古菌組學深圳市重點實驗室（ZDSYS201802081843490）和南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)的資助，同時，也得到了深圳合成生物學創新研究院的支持。
PI與課題組簡介：
司同，中科院深圳先進院合成生物學研究所研究員，博士生導師。國家重點研發計劃合成生物學項目首席科學家，國家高層次人才（青年），深圳合成生物研究重大科技基礎設施總工藝師。課題組方向為自動化合成生物技術，包括機器學習指導蛋白工程、高通量質譜篩選等，用于開發微生物細胞工廠研究和生產燃料、化工品、藥物等重要分子，前期成果在Nature Communications, JACS, Angew Chemie，Metabolic Engineering等國際著名學術期刊發表論文50余篇，“谷歌學術”引用超過2400次。
課題組主要研究方向是自動化合成生物技術，依托深圳合成生物研究重大科技基礎設施，采取數據驅動的設計-構建-測試-學習閉環研究范式，開展蛋白質工程、細胞工廠、天然產物等研究。長期招聘合成生物、儀器分析、微流控方向博士后、工程師、研究助理和訪問學生等，有意申請者請將個人簡歷以郵件方式發送至tong.si@siat.ac.cn。
實驗室主頁:
http://isynbio.siat.ac.cn/sitonglab/
附件下載：