美格基因·佳作推薦｜Nature綜述：古菌的細胞生物學

以下文章來源於公眾號微生態與微進化

過去十年的研究揭示了古菌在自然界的多樣性和無所不在性，越來越多的研究強調了它們在生態學、生物技術甚至人類健康方面的重要性。大量的的譜系已經被發現，擴大了古菌系統發育的廣度，並透露了它們在真核生物進化起源中的核心作用。這些發現，加上在極端環境下培養和實時成像古菌細胞的進展，為更好地理解古菌的生物學奠定了基礎。本文就古菌細胞的形態、內部組織和表面結構特徵以及膜系統重構、細胞生長和分裂等方面進行了綜述。本文還強調了目前所面臨的一些技術挑戰，並討論了新的和改進的技術將如何幫助解決許多懸而未決的關鍵問題。

引言

古菌（

Archaea

）是單細胞的原核微生物，乍一看與細菌類似，表現為沒有核膜、複雜內膜系統、環狀基因組以及基因缺乏剪接體內含子。然而，古菌複製和表達遺傳資訊的機制——即

DNA

複製、轉錄和翻譯，在進化上與真核生物關係更密切，而不是細菌。與此同時，古菌有一組共同的細胞特徵，將它們與真核生物和細菌區分開來。這些特徵包括獨特的細胞膜（膜脂分子由類異戊二烯鏈透過醚鍵與甘油

-1-

磷酸基相連）、獨特的運動器官古菌鞭毛（

archaellum

）以及獨特的代謝型別，如產甲烷。

最初古菌被分離自極端環境（例如高溫、低

pH

和高鹽），這導致許多人認為它們是神奇的、古怪的。然而經過幾年的研究，古菌在大範圍環境中均被發現。其中在海水和沉積物，古菌在氮迴圈和碳迴圈起著關鍵的作用。此外在人和動物的腸道也發現大量古菌，可能涉及人類健康與疾病。非培養技術（如宏基因組分箱）在環境樣品中識別了大量的古菌，使得古菌的系統發育樹快速膨脹，凸顯了古菌巨大的多樣性（圖

1

）。例如，非培養方法使研究者能夠識別出來自不同環境的一組亞微米大小的古菌（統稱為

DPANN

超門），其擁有精簡的基因組，專性的附生於不同古菌宿主。

環境宏基因組取樣也導致了阿斯加德（

Asgard

）古菌的發現，該枝系是真核生物最近的原核親戚。引人注目的是，許多

Asgard

古菌的

基因組擁有真核同源的編碼基因，這些基因涉及細胞形狀控制和內膜形成等活動，這在其他原核生物從未發現過。這些基因的出現支援內共生假說，也即

Asgard

古菌的成員與

alpha

變形菌的共生導致了真核生物的起源。最近

Asgard

古菌中第一個被分離培養的成員

P。 syntrophicum

強化了這一觀點。電鏡圖片顯示，這些分離的細胞擁有長枝狀的突起，可能是肌動蛋白同源物存在的結果。這些附屬物被觀察到在共培養中與其他細胞結合，這意味著它們允許細胞與互養夥伴在物理上聯絡。這些資料清楚地表明，許多曾經被認為代表真核細胞生物學獨特特徵的分子機器都起源於古生菌，有助於彌合真核生物和原核生物之間的鴻溝。

最近，大量的序列資料揭示了古菌在生命樹中的關鍵位置。古菌處於重大進化事件的十字路口，它不僅對理解真核生物的起源至關重要，而且對我們理解地球上細胞生命進化的早期事件至關重要，尤其是所有生命的最後一個共同祖先的性質。因此，古菌細胞生物學正在經歷一場復興，有望改變這些領域。在這篇綜述中，我們概述了目前對古菌細胞生物學的認識。我們討論了涉及細胞配置、形狀、生長和分裂以及古菌細胞表面的關鍵過程。我們還回顧了研究古菌時面臨的主要技術挑戰（

Box 1

、

2

）和一些懸而未決的問題。

細胞配置、形狀和大小

儘管大多數古菌擁有簡單的細胞配置，古菌細胞的形狀和大小各不相同，膜結構特存在差異（圖

1

）。許多古菌的形態與普通細菌類似，例如球狀和桿狀。一些古菌細胞則有驚人的形態，形成平的方塊和三角形，這不同於幾乎所有其他生物形態（圖

1

）。這些細胞形狀是透過細胞骨架細絲和糖蛋白外殼（被稱為

S-layer

）對區域性生長和分裂軸的精確控制的結果。然而，由於大多數古菌缺乏肽聚糖，這些細胞對它們所處的機械環境也很敏感，其形狀容易被外力改變。

圖1 古菌細胞的形態和大小

有些古菌，如

Sulfolobales

，具有不規則的球狀細胞。絕大多數的熱原體目和

DPANN

也是如此（圖

2

）。其他古菌具有明確但簡單的形狀，例如大部分的奇古菌細胞傾向於短杆或球狀形態。超嗜熱的熱變形體目古菌可編碼特定的古菌肌動蛋白（

crenactins

），往往具有細棒狀細胞，也有其他研究發現分枝和棒狀的形態。在泉古菌門中，

Ignicoccus

屬的成員在結構上是最引人注目的，沒有

S-layer

、假肽聚糖或多糖糖被，而是具有雙層膜。這些物種的

DNA

和細胞質包含在一個內腔室中，從這個腔室中出現的膜“管”以一種尚不明確的方式與覆蓋在外面的膜連線。值得注意的是，由脂類和蛋白質組成的外膜據報道是透過質子動力產生

ATP

的地方，這意味著這些細胞有能力將不同的細胞活動劃分到不同的膜區。瞭解這種結構是如何生成和維護的將是未來研究的一個迷人領域。

Ignicoccus hospitalis

可以與屬於

DPANN

的

Nanoarchaeum equitans

互作，並且由於細胞壁的缺乏可以形成細胞間的直接連線。此外，由於

N。 equitans

缺乏膜脂合成基因，可能透過與宿主交換脂質獲得膜脂。

嗜鹽古菌門是形態易變者。例如

Haloferax volcanii

、

Haloferax gibbonsii

LR2-5

和

Haloarcula japonica

能夠在標準培養條件下呈現各種形狀，從桿狀細胞轉變為扁平盤狀細胞，反之亦然。此外，生長條件的變化擴大了這些形狀的多樣性，從極其細長的細胞到非常不對稱的細胞。其中一些變化可能是細胞形狀調節因子表達的特定改變的結果，例如細胞骨架蛋白。或者，細胞形狀的極端變化可能反映了這些嗜鹽古菌的機械敏感性，因為它們的形狀變化會因輕微的壓力而加劇。

圖2 不同古菌細胞生物學的關鍵元素

不幸的是，我們對其他主要古菌類群的形態學知識仍然貧乏。迄今為止，初古菌門的唯一代表是長絲狀未培養的“

Candidatus

Korarchaeum cryptofilum

”。考慮到“

K。 cryptofilum

”

的基因組也可編碼特定的古菌肌動蛋白，肌動蛋白絲可能有助於產生長桿狀細胞。更驚人的是，

P。 syntrophicum

是目前在共培養中分離到的唯一的

Asgard

超門成員，其細胞小而無定形，可以有長長的分枝突起。

古菌細胞大小通常在

0。7 μm

到

4 μm

之間（指棒的長度，圖

1

），這在大多數細菌的細胞大小範圍內。雖然有些古菌（如

Methanobacterium thermoautotrophicum

和“

K。 cryptofilum

”）可形成長達

100 μm

的絲狀結構，但絲狀結構中的單個細胞長度限制在

2-3 μm

。另一個極端，

DPANN

古菌則可以小到

300

奈米。這些古菌是已知最小的生物之一。

儘管古菌的細胞形狀和大小各不相同，但其形態在多大程度上取決於細胞膜、表面結構和

/

或細胞骨架體系仍有待了解，這凸顯了對各種古菌進行更詳細的細胞生物學研究的必要性。同樣，形狀對細胞生長和分裂等核心過程的影響仍然缺乏研究。然而，就像在細菌中一樣，細胞的形狀在使細胞在特定環境中生存方面發揮著關鍵的功能作用。

細胞包被

表層。

大多數古菌和許多細菌都有一個由蛋白質組成、表面結構多樣的外殼即

S-layer

（圖

2

）。古菌的

S-layer

為一種或兩種不同蛋白質亞基構成的亞晶狀格柵，這些亞基包含一個大的形成晶格的部分和一個參與將

S-layer

錨定在細胞上的小段。這些錨定亞基要麼整合到細胞質膜中，要麼在某些物種中整合到多糖層中，如假肽聚糖和甲烷菌軟骨素（圖

2

和圖

3a

）。細胞膜和

S-layer

之間的空間類似於革蘭氏陰性菌的周質（

periplasm

）。迄今為止，已被研究的古菌

S-layer

亞基被

N-

連線的糖基化修飾，也有一些為

O-

連線的糖基。古菌

S-layer

可能的功能包括維持細胞形狀、提供機械穩定性、分子篩。也有人認為，它可以保護古菌免受病毒侵染，也可以提供表面黏附位點和膜蛋白錨定支架。

圖3 古菌細胞包被

關於古菌

S-layer

的組裝仍有很多問題未知，例如

S-layer

亞基嵌入細胞膜的位置。

Pyrococcus furiosus

的

S-layer

染色（圖

4g

）和

H。 volcanii

的

S-layer

蛋白定位表明它們是在細胞中間合成的（圖

4a

）。此外，最近第一個完整的、原位

H。 volcanii

的

S-layer

原子結構顯示了局部

S-layer

結構是如何根據細胞包被曲率的變化而變化的。然而，還需要更多的工作來確定

S-layer

插入和組裝與古菌細胞生長和分裂的耦合機制。

表層附屬物。

古菌有多樣的表層附屬物（圖

2

和圖

3b

）。物種特異的附屬物有插管（

cannulae

，連線

Pyrodictium

細胞的中空管）、

hami

（在

Altiarchaeum hamiconexum

中可以形成鐵絲網狀結構幫助錨定細胞）。相比之下，一些表層附屬物是很多古菌共有的，例如

type IV

菌毛

（

pili

），用於細胞

-

細胞、細胞

-

表面之間的黏附、生物膜形成和病毒錨定，它的組裝與細菌類似。

古菌鞭毛（

archaellum

）在所有可以運動的古菌中出現，它在進化上與細菌鞭毛無關，組裝方式與

type IV

菌毛類似。透過將鞭毛馬達錨定在

S-layer

，古菌能夠將依賴於

ATP

的運動轉化為推動細胞前進所需的扭矩。負責錨定鞭毛在

S-layer

的蛋白

ArlG

和

ArlF

似乎是由古菌鞭毛細絲基因

arlB

透過基因複製進化而來。

細胞表面的調節。

與細菌類似，大多數古生菌被認為使用

Sec

系統來分泌大部分蛋白質，少量含有輔助因子的蛋白質透過雙精氨酸易位（

TAT

）途徑分泌，可分泌大小可達

200 kDa

的摺疊蛋白。極端嗜鹽古菌例外，它們大多傾向於使用

TAT

途徑來轉移處於摺疊狀態的蛋白質，可能是為了避免在高鹽濃度存在時蛋白質沉澱。分泌蛋白作為含有訊號肽的前蛋白產生。古菌中發現了一種訊號肽酶

I

，它處理

Sec

和

TAT

途徑分泌的蛋白質。然而，另一種古訊號肽酶

II

（在細菌中可以為蛋白質新增脂質部分）尚未被發現，儘管一些細胞外蛋白質已被證明其氨基端已被脂質修飾。同樣，儘管古菌中存在一種訊號識別蛋白依賴的共翻譯分泌系統，但尚不清楚古菌是否具有

SecA

的同系物，

SecA

是一種

ATP

酶，在細菌中發揮推動翻譯後分泌的基本功能。

古菌與細菌共有的分泌系統中只有少數被深入研究過。大部分研究都集中在

IV

型菌毛的裝配機械和同源的古菌體裝配系統。加工前菌毛蛋白和前古菌鞭毛蛋白所需的機械部件與存在於細菌中的系統同源。然而，古菌缺乏在革蘭氏陰性菌中將蛋白質穿過肽聚糖層和外膜的亞基的同源物。編碼古菌

IV

型菌毛組裝結構的基因通常在編碼

S-layer

蛋白

質的基因附近，這表明

S-layer

和菌毛組裝之間有重要的相互作用。

細菌

II

型分泌系統與

IV

型菌毛裝配結構同源，用於分泌一系列不同的毒素和酶。在

Sulfolobus solfataricus

中，與

II

型分泌系統同源的雙配體（

bindosome

）參與糖蛋白的組裝，在透過高親和力

ABC

轉運體攝取糖過程發揮作用。

IV

型分泌系統對蛋白質和

DNA

的跨膜運輸很重要。雖然在古菌結合質粒上已經發現了同源蛋白，但它們的功能尚未被鑑定。有趣的是，在

Sulfolobus

中發現了一個獨特的

DNA

輸入源，它參與了細胞間

DNA

交換以幫助修復

DNA

雙鏈斷裂。

幾乎所有分泌的古菌蛋白都被

N-

和

/

或

O-

連線的糖基化修飾，這包括

S-layer

蛋白、基質繫結蛋白、菌毛蛋白和鞭毛蛋白。儘管只有一小部分古菌蛋白透過新增糖到天冬氨酸殘基（

N-

連線）的修飾被詳細研究，這些為數不多的例子已經揭示了糖的大小、組成和分支程度的巨大差異（圖

3c

）。儘管有這些差異，它們都使用

AglB

低聚糖轉移酶，該蛋白在結構和功能上與

SST3

同源（

SST3

是真核寡糖轉移酶複合體的核心酶，負責將糖部分轉移到目標蛋白上）。

Asgard

古菌基因組也被證明編碼了真核低聚糖轉移酶複合物的其他成分的同源物。儘管古菌中糖基化的功能可能是不同的，但這些修飾被認為可以增強細胞外蛋白質的穩定性，並有助於它們的易位和摺疊。此外，它們已被證明在嗜鹽古菌的運動、交配和特異性細胞識別很重要。

細胞內部結構

古菌很可能像細菌一樣，擁有獨特的非膜約束的分隔室，在那裡特定的細胞活動被集中。儘管人們對這種內部結構知之甚少，但其中一些被認為是分子凝聚物。最近的工作指出了核糖體分佈的不對稱性，這可能表明古菌中存在蛋白質合成或核糖體組裝的專門位點。此外，儘管對基因組的位置及其動力學知之甚少，但在

Sulfolobus

和

Nitrosopumilus

細胞的大部分細胞週期中，基因組已被證明僅侷限於特定位置的細胞質（圖

4b

）。

圖4 不同古菌細胞熒光蛋白影象

如前所述，泉古菌

I。 hospitalis

與

Planctomycetales

相似，因為它擁有複雜的膜結構，包含互相連線的內膜和外膜。這種膜的複雜性在古菌中有多普遍還有待進一步研究。此外，負責這種結構的基因還沒有被確定。然而，值得注意的是，許多古菌具有

ESCRT-III

和

Vps4

機制的同系物，這些機制可重塑膜，例如產生細胞外囊泡。在

Asgard

古菌中，這一機制包括泛素同源物和

ESCRT-I

和

ESCRT-III

複合體蛋白。這些複合體通常位於基因組中，可能在膜蛋白靶向囊泡過程中起作用。此外，

TACK

和

Asgard

古菌的兩個成員都具有在真核生物的膜運輸中起作用的其他蛋白質的同源物，如小

GTP

酶和

Sec23-24

。這使得許多人認為，

Asgard

古菌細胞可能擁有複雜的細胞膜運輸途徑。儘管這仍是一種令人興奮的可能性，但支撐真核生物內膜系統動態結構的快速膜重構也依賴於這些蛋白質（如動力蛋白，它們很可能遺傳自細菌），以及透過相分離事件來輔助膜重構的細菌型脂膜。因此，尚不清楚具有複雜膜系統的古菌是如何調節其內部結構的，以及是否有任何

Asgard

成員能夠進行更復雜的動態膜運輸（類似於在真核生物中看到的那樣）。

細胞基因組結構

像細菌一樣，古菌傾向於擁有小的環狀

DNA

基因組，其中基因可被劃分成功能組（也即基因簇），功能組的基因轉錄通常是一致的。然而，它們以截然不同的方式複製和組織自己的基因組。一些古菌，包括廣古菌

Haloferax

的物種，每個細胞都有多個類核染色體副本，而在其他生物中，如泉古菌

Sulfolobales

和奇古菌

Nitrosopumilus

，基因組是單複製的，細胞週期調節對其生存至關重要。

大多數細菌基因組

DNA

只有一個複製起點。而在

Sulfolobales

中，基因組

DNA

有多個複製起點，在

G1

的每個細胞分裂週期，所有起點幾乎同步複製一次，這可能是由於真核生物

AAA ATP

酶

Cdc6

的同源物的作用。重要的是，這些複製起點直到下一個週期才會再次啟用，這一過程似乎需要蛋白質水解和

/

或細胞分裂。有趣的是，大多數複製起點都有一個側翼的

Cdc6

同源物及其起點識別位點，表明這些

AAA ATP

酶可能在區域性起作用，誘導區域性

DNA

解旋來啟動

DNA

複製。此外，使用特定染料對

DNA

進行成像，發現基因組似乎位於細胞質中離散的位點，而不是隨機分佈，這意味著它是有組織的。

Hi-C

實驗也表明了這一點，該實驗表明，

Sulfolobus

基因組具有高階結構，是由

Smc

凝縮蛋白

/

連線蛋白家族成員的作用產生。儘管凝縮蛋白功能缺失的表型尚未被報道，但已有研究表明，凝縮蛋白有助於轉錄和基因組進化的全域性調控。

DNA

結合蛋白，如

Sulfolobus

屬中的

Alba

、

Cren7

和

Sul7

，或許多古菌中存在的組蛋白同源物，包括一些

Asgard

古菌，也可能影響染色體的排列。儘管在細胞分裂時可以觀察到

DNA

結構的變化，但對古菌

DNA

分離的機制知之甚少。分離蛋白如

SegA

和

SegB

可能有助於改變

DNA

的排列，以促進古菌染色體的分離。

古菌細胞骨架

古菌具有多種細胞骨架纖維。這些與在細菌和真核生物中發現的蛋白質屬於同一類，包括肌動蛋白、微管蛋白和

ESCRT-III

的同源物（圖

2

）。有理由認為，真核生物中存在的細胞骨架機制是在真核發生過程中從古菌獲得的，因為古菌同源物比它們的細菌對應物更類似於真核生物蛋白質。例如，

Asgard

古菌和真核生物的肌動蛋白在氨基酸水平上高度相似。古菌還具有細菌型細胞骨架家族的同源物，如屬於

ESCRT-III

超家族的微管蛋白同源物

FtsZ

、肌動蛋白同源物

MreB

和

PspA

。因此，迫切需要確定古菌中這些絲狀體在體外和體內的動態行為，以及哪些絲狀體控制細胞形狀，哪些絲狀體調節伴隨著分裂的細胞形狀的變化，以及它們如何與上面的

S-layer

相互作用。

古菌基因組中肌動蛋白家族細胞骨架蛋白的存在似乎與細長的細胞形狀有關，就像在細菌中一樣。因此，正如前面強調的，桿狀古菌細胞要麼編碼肌動蛋白（肌動蛋白的同源物首次在泉古菌中發現，圖

4e

），要麼編碼

MreB

同源物（圖

2

），暗示這些蛋白質在整個生命領域的細胞形狀調節中具有保守的功能。儘管在

Pyrobaculum calidifontis

中的免疫定位實驗表明肌動蛋白可能形成一個橫跨細胞的螺旋細胞骨架網路，但這是透過與細菌中的螺旋

MreB

絲的類比而推斷出來的，而後者後來被證明是顯微鏡技術的產物。因此，古菌中肌動蛋白絲的胞內結構仍有待探索。

x

射線晶體學和低溫電子顯微鏡研究表明，它與真核肌動蛋白在結構上非常相似。此外，一些報告表明，這些肌動蛋白絲的行為可能由鄰近基因編碼的蛋白質調節，其方式與已知的真核肌動蛋白

-

絲動力學調節因子相似。這些觀察結果被用來提出古菌肌動蛋白絲可能負責桿狀細胞的形狀和分枝細胞形態的產生。類似地，

Asgard

古菌

P。 syntrophicum

基因組存在肌動蛋白同源物可能解釋它們細胞形成長凸起的能力，儘管目前為止還沒有在它們細胞觀察到肌動蛋白絲的存在。有趣的是，

P。 syntrophicum

和其他

Asgard

古菌基因組擁有編碼其他假定的肌動蛋白調節因子的基因，包括

profilins

和

gelsolins

，這些蛋白能夠在體外顯著地改變真核肌動蛋白的動態行為，從而支援了這些古菌可能具有一個複雜的肌動蛋白絲調節系統的觀點。

古菌基因組中

MreB/

肌動蛋白的存在與細胞形狀之間的相關性似乎令人信服，但這些細絲決定古菌細胞形狀的機制尚不清楚。在細菌中，

MreB

形成彎曲的細絲，缺乏扭曲，這被認為是引導肽聚糖在細胞周圍合成，使細菌形成桿狀結構。

MreB

同源物可能在桿狀古菌中發揮類似的作用，這些古菌的細胞壁由假肽聚糖構成，假肽聚糖是細菌肽聚糖的類似物。因此，這一知識對解釋肌動蛋白同源物如何塑造包裹在缺乏假肽聚糖的可變形

S-layer

中的古菌幾乎沒有幫助。在典型的具有固定拉長形狀的真核細胞中，如裂變酵母，區域性積累的肌動蛋白細絲透過幫助定義細胞壁合成

/

去除區域來指導細胞形狀。相比之下，變形蟲和動物細胞中的肌動蛋白絲與肌球蛋白馬達共同作用，使細胞具有靈活的形態，但在原核生物中尚未發現肌球蛋白馬達。因此，需要進行更多的研究來確定古菌肌動蛋白和

MreB

同系物是如何調節

S-layer

包裹的細胞的形狀。

圖5 古菌細胞的分裂機制

許多古菌也編碼

CetZ

，一種微管蛋白的同源物。

CetZ

位於

H。 volcanii

細胞的外圍，在那裡它似乎在從圓盤狀到桿狀的轉變過程中起著重要作用，這種轉變深刻地改變了它們的遊動能力。儘管其他古菌具有

CetZ

蛋白，包括方塊形古菌

Haloquadratum walsbyi

，球形超嗜熱

P。 furiosus

和

Thermococcus gammatolerans

（圖

2

），但這些蛋白在調節細胞形狀中的作用仍有待探索。此外，最近分離的奇古菌

Nitrosoarchaeum koreensis

MY1

和仍然未培養的

Asgard

古菌

Odinarchaea

編碼的蛋白質序列與真核細胞中的

α-

和

β-

微管蛋白非常相似。儘管它們的作用一直受到猜測，但在這些細胞中還沒有觀察到長的胞內管狀結構，而且生物化學研究還沒有確定具有平行原絲的微管，就像在真核生物和細菌中發現的微管一樣。

細胞分裂

細胞骨架絲在調節細胞分裂過程中也起著重要作用。在所有細胞中，分裂需要細胞空間的相對快速重構、細胞中部收縮和膜分裂。這主要是透過與古菌胞質分裂有關的兩個主要蛋白質家族來實現的。第一個蛋白質家族是微管蛋白的同源物

FtsZ

，在細菌中起著引導細胞壁組裝驅動分裂的作用。第二種是

ESCRT-III

家族蛋白，在動物細胞分裂時膜的重構以誘導細胞脫落方面具有類似的功能。

基於

FtsZ

的細胞分裂。

除了泉古菌，大多數古菌都具有細菌細胞分裂蛋白

FtsZ

的同源物（圖

2

）。它在細胞質分裂中的作用已經透過在嗜鹽古菌

H。 volcanii

中基於

GFP

的定位研究證明，嗜鹽古菌

H。 volcanii

是最完善的廣古菌細胞生物學模型。這裡

FtsZ

在細胞中間形成一個環，當細胞進行胞質分裂時收縮（圖

5

）。有趣的是，大多數古菌擁有兩個

FtsZ

（命名為

FtsZ1

和

FtsZ2

）複製，這被認為有助於相對柔軟的缺乏肽聚糖的

H。 volcanii

細胞首先形成分裂環，然後分裂（類似於下一節提到的古菌

ESCRT-III

系統的作用）。在

H。 volcanii

中，

FtsZ1

和

FtsZ2

在細胞中部形成

z

環（圖

4h，i

），這兩種蛋白質的缺失都會導致嚴重的胞質分裂缺陷。雖然這兩種蛋白質之間的確切相互作用尚未闡明，但

FtsZ1

似乎參與了

z

環的搭建，而

FtsZ

2

似乎是啟動收縮的必要條件。

最近，產甲烷古菌

Methanobrevibacter smithii

已被開發為一個新的實驗模型，用於研究基於

FtsZ

的細胞分裂。連同它的近親，

M。 smithii

有兩個獨特特徵：它只有一個

FtsZ

（

FtsZ1

）複製，並顯示由假肽聚糖構成的細胞壁，使其包被構成同時具有古菌和細菌樣特徵的進化嵌合體。免疫標記的

FtsZ1

顯示其在這個卵球狀古菌的分裂平面上形成一個不連續的環。此外，在細胞完全收縮之前，在未來分裂位點的潛在子細胞中出現了兩個新的

z

環，類似於卵球狀細菌

Streptococcus pneumoniae

。

最近的資料為古菌中基於

FtsZ

的細胞分裂機制提供了進一步的資訊，首次顯示

SepF

的同源物將

z

環固定在膜上，就像在許多細菌中一樣（圖

4f

）。然而，

FtsZ

複合物中的

SepF

的結構與細菌中有顯著差異，這可能反映了兩個不同原核域細胞包膜的早期進化差異和

/

或

SepF/FtsZ

功能的差異，從而使如此不同型別的細胞壁變形。奇怪的是，與細菌不同的是，在

H。 volcanii

中發現的

MinD

同源物中沒有一個與

FtsZ

定位到細胞中間有關。

基於

ESCRT-III

的細胞分裂。

Sulfolobales

是泉古菌中研究得最透徹的成員。在

S。 acidocaldarius

中，

ESCRT-III

的同源物和相關的

AAA ATP

酶

Vps4

已被證明驅動細胞分裂。首先，古菌特異性蛋白

CdvA

被認為定義了細胞分裂準備的中間區。在這裡，

CdvA

啟動了

ESCRT-III

同系物

CdvB

的非收縮環的形成，這形成了一個模板，用於隨後的兩個額外的

ESCRT-III

同系物

CdvB1

和

CdvB2

，它們在分裂期間以複合

ESCRT-III

環的形式一起發揮作用

——

類似於真核細胞中由

ESCRT-III

蛋白形成的環。然後，可能透過

Vps4

同源物

CdvC

的作用，將

CdvB

從複合環中移除，然後被蛋白酶體降解，使複合聚合物

CdvB1

和

CdvB2

環收縮。當與依賴於

Vps4

的骨架絲分解結合時（其作用是清除細胞動力學橋上的聚合物並提供膜重構所需的能量），這種逐步的組裝和拆卸過程被認為是可以驅動分裂的（圖

4d

和圖

5

）。因此，

ESCRT-III

蛋白的截短突變體不能與

Vps4

相互作用，也不能被拆卸，據報道在後期可以阻止分裂。雖然還不清楚為什麼這個系統會以這種方式運作，但一種可能性是，這個多步驟的過程使缺乏剛性壁的

Sulfolobus

細胞在環收縮之前組裝成一個形狀良好的非收縮環。值得注意的是，

ESCRT

機制也參與了

Sulfolobales

中的囊泡形成和病毒出芽。因此，在真核生物中，古菌

ESCRT-III

蛋白能夠在細胞的不同生物過程中催化膜重構。

識別參與細胞分裂的其餘分子是未來幾年的主要目標，因為古菌中沒有其他細菌分裂體和延長體的同系物（包括那些含有假肽聚糖細胞壁的

）

。有趣的是，

M。 smithii

和它的有細胞壁的親戚有一個真正的

MreB

的同系物，其作用還有待研究。

展望

本文綜述了古菌細胞生物學的研究現狀，並討論了古菌細胞生物學的形態學、細胞結構、細胞包被和細胞內部結構。這明確了古菌中存在的基本細胞過程的巨大多樣性，並暗示了有待發掘的生物學新事物。正如細菌所見，古菌的細胞形狀多種多樣，但尚不清楚古菌細胞形態在多大程度上取決於細胞膜、表面結構和

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或細胞骨架機制。同樣，人們對形狀對細胞生長和分裂的影響知之甚少。未來對不同的和新發現的古菌的更詳細的細胞生物學研究將有助於回答這些問題。

另一個主要目標是描述高度多樣化的古菌細胞分裂機制。這些研究有望闡明古菌細胞生物學的基本方面，如細胞生長、分裂以及古菌與其環境之間的相互作用。實現這些研究目標需要克服研究古菌時所面臨的技術挑戰。高解析度熒光熱顯微技術的不斷進步和耐熱熒光蛋白的開發將有助於研究嗜熱古菌動態細胞過程的突出問題。此外，開發更多古菌代表物種的培養條件和遺傳系統，特別是

Asgard

古菌成員，將大大有助於我們理解所有古菌基本細胞過程的多樣性。這將反過來為了解所有生命的最後一個通用共同祖先的特徵和導致真核發生的過程提供關鍵的見解。