细胞核起源编辑

根本性的、令人生畏的进化谜题

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细胞核的起源是一个根本性的、令人生畏的进化谜题，设想的关于“核”起源的流行情景（特别是著名的内共生途径）还远谈不上清晰。关于真核生物的起源可谓众说纷纭，有共营模型、自演化模型、病毒性真核生物起源模型、外膜假说、压缩和结构化假说，等等。迄今为止，真核演化的动因则鲜有涉及。

与真核生物相比，原核生物显得十分小巧（无论是细胞大小，还是其遗传物质DNA分子），内部结构亦相对简单——既见不到核，也见不到像线粒体、叶绿体这样的细胞器（图1）。不难理解，真核细胞必须用大的体积来装填大的基因组，对复杂的基因组也需要进行更为有效有序的管控，这可能导致了细胞内部的模块化，譬如，将遗传物质集中分布于用膜包裹的一个区域——形成所谓的核。在细胞核中，还有1个或多个圆球形的核仁，它是生产核糖体的机器。在现代生物学中，核被赋予了极为重要的地位，因为人们根据核的有无，将生物界区分为了两大类——原核生物和真核生物。在植物细胞中，有一个称之为叶绿体的细胞器专门用于光合作用。

共营模型

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共营模型（syntrophic model）认为，古菌与细菌共生导致了含细胞核的真核细胞的诞生，但是，古菌与细菌均无细胞核（Hogan 2010）。共营模型认为，与现代产甲烷古菌类似的某些古老的古菌，侵入并生活在类似于现代粘细菌的细菌体内，形成了早期的细胞核。古菌与真核生物在特定蛋白质（如组蛋白）基因的相似性被认为是支持以古菌为基础的细胞核起源理论的证据。但笔者认为，共营模型并不能回答核是如何产生的问题。

其实，共营模型类似于解释线粒体和叶绿体起源的内共生理论（endosymbiotic theory）。Konstantin Mereschkowsky于1905年提出叶绿体起源于内共生的猜想，而Ivan Wallin在1920s提出了关于线粒体起源的同样的想法，之后叶绿体与线粒体内被发现含有自己DNA，虽然绝大多数基因都已丢失，譬如，核基因编码了超过98%的线粒体蛋白质以及超过95%的叶绿体蛋白质，但要确定这些核基因有多少是来自线粒体或叶绿体的祖先可能并不容易。Margulis（1981）使内共生理论得到普及，她认为，线粒体内共生起源于一种原核生物对另一种原核生物的攻击，而不是所谓的吞饮（pinocytosis）或吞噬（phagocytosis）作用，因为这绝未在原核生物之间出现过；此外，内共生的螺旋体形成了真核生物的鞭毛和纤毛。此外，线粒体的原始宿主是厌氧的还是好氧的？因为含有复杂的氧化磷酸化系统，线粒体应该是在好氧环境下长期演化的产物。因此，如果它的宿主是厌氧的，那它至少通过与线粒体的共生获得了对好氧环境更好的适应能力。

自演化模型

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图2 薄切片透射电镜图

自演化模型（autogenous model）认为原真核（proto-eukaryotic）细胞直接自细菌演化而来，并不需要通过内共生。证据来自一类专性好氧菌——浮霉菌（PlanCTomycete），它们具有清晰的胞内膜结构，其中，有一种称之为Gemmata obscuriglobus的出芽菌，其染色质被双层的核膜所包裹（图2a），类似于真核生物的核的结构，而斯氏小梨形菌（Pirellula staleyi）的核被单层的细胞质内膜ICM（图2b）所包裹（Fuerst 2005）。但是，这一模型并未进一步解释核实如何形成的。

图2是通过冷替代方式固定和准备的Gemmata obscuriglobus（a）和斯氏小梨形菌（Pirellula staleyi）（b）的薄切片透射电镜图，NE—核膜，N—拟核，ICM—细胞质内膜，P—外室细胞质，P—pirellulosome（小梨形菌属的一种膜细胞隔室）（引自Fuerst 2005）。

起源模型

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病毒性真核生物起源模型（viral eukaryogenesis model）认为，病毒感染原核生物导致了膜结合的细胞核与其他真核生物特征的产生。证据是真核生物和病毒在大分子结构上存在一定相似性，譬如，线性DNA链、mRNA的加帽，以及与蛋白质的紧密结合（病毒的外套膜类似于组蛋白）。该假说的其中一种观点认为，吞噬作用形成了早期的细胞“捕食者”，并随之演化出细胞核（Bell 2001）。另一种观点则认为，真核生物起源于受到痘病毒感染的古菌，因为现代痘病毒与真核生物的DNA聚合酶具相似性（Villarreal and DeFilippis 2000 ，Takemura 2001 ）。

外膜假说

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外膜假说（exomembrane hypothesis）认为，细胞核是起源自演化出第二层外细胞膜的单个早期细胞，而包裹原来细胞的内膜则转变成了核膜，并逐渐演化出精巧的核孔结构，以便于将内部（如核糖体亚基）合成的物质送出核外（de Roos 2006）。

结构化假说

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真核生物的DNA压缩比

染色体结合有两种蛋白质：组蛋白（一种低分子量的碱性蛋白质）和酸性蛋白质。在真核细胞的有丝分裂过程中，与组蛋白耦联的DNA分子的压缩能力是十分惊人的（图3）。DNA双螺旋在每个组蛋白8聚体表面盘绕约1.75圈（长约140个碱基对）构成核小体。相邻核小体之间有长约50～60个碱基对的DNA连接线，在相邻的连接线之间结合了一个H1组蛋白分子。DNA似绳，组蛋白似珠，就像成串的珠子一样，这就是染色体的一级结构，在这里，DNA分子大约被压缩了7倍。螺旋体是染色体的二级结构，每一周螺旋包括6个核小体，这里的DNA被压缩了6倍。螺旋体进一步螺旋化，形成超螺旋管，即染色体的三级结构，这里的DNA被压缩了40倍。超螺旋体再折叠盘绕形成染色单体（四级结构），两条染色单体组成一条染色体，这里的DNA再被压缩了5倍。这样，DNA分子一共被压缩了7×6×40×5=8400倍！

图3 DNA压缩成染色体的过程

原核生物与真核生物基因组大小的比较

再来看看这种DNA的压缩与基因组演化之间的关系。一般可用C值(C Value)来度量一种生物的基因组的大小，它指一种生物的单倍体基因组的DNA总量。细菌和古菌的C值（单位pg）的中位值约在10^-3–10^-2之间，而真核生物约在1-10之间，高约3个数量级。绝大多数C值落于中位数±1.5个数量级之间。此外，真核细胞略为原核细胞直径的10倍。若考虑中位数及其上限偏移，以及细胞直径一个数量级的差异，真核生物DNA的压缩倍数大约应该是3.5个数量级（图4），带箭头的红色虚线表示C值中位数的演化轨迹，绿色虚线表示大多数真核生物C值的主要分布区间，问号表示该类生物起源的年代仍然存在争议。这与现代真核生物的DNA压缩比（packing ratio of DNA）惊人地一致！譬如，人的染色体中DNA分子伸展开来的长度平均约为几个厘米，而染色体被压缩到只有几纳米长（1 cm = 10⁷nm）。原核生物的C值与真核生物中的原生动物和真菌亦有交集，特别是与原生动物的交集更深。

图4 原核生物和真核生物基因组大小的比较

压缩与结构化假说

压缩与结构化假说（packing and structurization hypothesis）认为，细胞核源自基因组复杂化的诱导。在大气逐渐氧化的背景下，地球上的生命（无论是形态结构，还是遗传信息）加速了从简单到复杂的演化历程，可能主要由于DNA的复制错误或多倍化并在一定程度上叠加了不同种类之间的各种侧向基因转移方式以及内共生融合（endosymbioticfusion）等导致了一些原核细胞基因组的大型化。这一方面需要骨架蛋白的强化来支撑更大的细胞体积，同时通过个体生存的随机性筛选，细胞内部逐渐结构化，从而形成了复杂的内膜系统——细胞器，被膜包裹的核及其在细胞分裂中的分离方式亦是这种结构化的产物。核的成型及有丝分裂的出现主要是为了满足将巨大的DNA分子准确地分配到子代中去的需求，这里，如何将长链DNA有效地压缩（借助组蛋白）成若干染色体以及如何将多个染色体同时分离（借助纺锤体）是核演化的关键。核膜的形成虽然并非轻而易举，但亦不会困难无比，膜有多种可能的来源，譬如，原核细胞分裂时DNA就得锚定在细胞膜上。其实，生命就起源自膜耦联的光化学过程，细胞亦能产生各种各样的膜。从本质上来看，包括核膜在内的细胞内膜系统就是为了实现对复杂生化系统进行秩序化管控，或者说，秩序化是通过细胞内部的模块化得以实现的。这虽然可视之为一种自演化模型，但在压缩原理和结构化等的基础上，诠释了核演化的动因与本质（谢平2016）。