摘要
所有复杂的生命都是由真核(有核)细胞组成的。真核细胞在40亿年里只由原核生物进化而来一次,否则原核生物没有进化出更复杂的趋势。为什么不呢?原核生物基因组的大小受生物能学的限制。产生线粒体的内共生重新构造了与生物能量膜相关的DNA分布,使表达的基因数量显著增加了20万倍。基因组能力的巨大飞跃严格依赖于线粒体能力,也是真核生物复杂性的先决条件:这是通往多细胞生命道路上的关键创新。
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参考文献
Rokas, A.多细胞生物的起源和动物发育的遗传工具箱的早期历史。为基础。启麝猫。42, 235-251 (2008)
林赛,m.r.等人。在板菌的细胞隔间化:细菌细胞结构组织的新类型。拱门。Microbiol。175, 413-429 (2001)
史密斯,J. M.,史密斯,N. H., O 'Rourke, M. & Spratt, B. G.细菌是如何克隆的?国家科学院学报美国90, 4384-4388 (1993)
本特利,s.d.等。模型放线菌全基因组序列链霉菌属coelicolorA3(2)。自然417, 141-147 (2002)
细菌胞浆内膜结构。Endocyt。细胞Res。12, 9-40 (1997)
Robinson, N. P. & Bell, S. D.古细菌染色体中染色体外元素捕获和多重复制起源的进化。国家科学院学报美国104, 5806-5811 (2007)
舒尔茨,H. N.乔根森,B. B.大细菌。为基础。启Microbiol。55, 105-137 (2001)
孟德尔,克莱门茨,K. D.乔特,J. H. &安杰特,E. R.大细菌的极端多倍体。国家科学院学报美国105, 6730-6734 (2008)
于建平,李志强,李志强。细菌细胞骨架的动态特性。细胞。生命科学66, 3353-3362 (2009)
大卫多夫,Y.和Jurkevitch, E.捕食之间的原核生物和真核生物的起源。Bioessays31, 748-757 (2009)
共生作为一种适应过程和表型复杂性的来源。国家科学院学报美国104, 8627-8633 (2007)
西蒙,D. M. &齐默尔利,S.细菌中未鉴定的逆转录元素的多样性。核酸测定。36, 7219-7229 (2008)
沃特斯,C. M.巴斯勒,B. L.群体感应:细菌的细胞间通讯。为基础。细胞发育生物学。21, 319-346 (2005)
Lonhienne, t.g.a等。细菌内吞样蛋白质的摄取Gemmata obscuriglobus.国家科学院学报美国107, 12883-12888 (2010)
von Dohlen, C. D., Kohler, S., Alsop, S. T. & McManus, W. R.粉虫β-变形菌共生体包含γ-变形菌共生体。自然412, 433-436 (2001)一个罕见的原核生物作为内共生体居住在原核宿主内的例子,表明吞噬作用不是内共生的先决条件。
蓝藻中的胞内细菌Pleurocapsa小.反式。点。Microsc。Soc。98, 143-145 (1979)
林奇,M. & Conery, J. S.基因组复杂性的起源。科学302, 1401-1404 (2003)
史密斯,J. M. & Szathmary, E。进化中的主要转变(牛津大学出版社,1995)
捕食和真核细胞起源:一个共同进化的观点。Int。学生物化学j。细胞生物。41, 307-322 (2009)
真核生物的起源:重新评价。自然牧师热内。8, 395-403 (2007)
里维拉,M. C.和湖,J. a .生命环提供了真核生物基因组融合起源的证据。自然431, 152-155 (2004)
库宁,E. V.基因组学视角下的达尔文进化论。核酸测定。37, 1011-1034 (2009)
皮萨尼,D.,棉花,J. A.和McInerney, J. O.超级树解开真核生物基因组的嵌合起源。摩尔。杂志。另一个星球。24, 1752-1760 (2007)
考克斯,C. J.,福斯特,P. G., Hirt, R. P.,哈里斯,S. R. & Embley, T. M.真核生物的古细菌起源。国家科学院学报美国105, 20356-20361 (2008)一个重要的贡献,使用最先进的系统发育库,表明获得线粒体的宿主是一种古细菌(原核生物)。
托瓦尔,J.等。线粒体残余细胞器贾第虫属铁硫蛋白成熟的功能。自然426, 172-176 (2003)
氢基因体和有丝分裂体:功能的守恒和进化。j . Eukaryot。Microbiol。56, 221-231 (2009)
马丁,W. & Müller, M.第一个真核生物的氢假说。自然392, 37-41 (1998)
蒂伦斯,a.g.m.等。我们不知道的线粒体。学生物化学的发展趋势。科学。27, 564-572 (2002)
哈罗德,f。M。生命力:生物能量学的研究(弗里曼,1986)
沃克尔,J. C.,马古利斯,L.和Rambler, M.氧气和紫外线在前寒武纪演化中的作用的重新评估。自然264, 620-624 (1976)
约翰斯顿,D. T.,沃尔夫-西蒙,F.,皮尔逊,A.和Knoll, A. H.无氧光合作用调节元古代氧气和维持地球的中世纪。国家科学院学报美国106, 16925-16929 (2009)
Makarieva, a.m., Gorshkov, V. G. & Li, B. L.最小能量学:细菌的呼吸速率与鲸鱼相同吗?Proc. R. Soc。Lond。B272, 2219-2224 (2005)
陈志伟,陈志伟,陈志伟,等。异养型原生动物呼吸速率的研究。活细胞。生态。9, 99-122 (1983)
真核生物的起源:原核细胞与真核细胞的区别。Proc. R. Soc。Lond。B266, 1571-1577 (1999)
基因表达进化的能量限制。摩尔。杂志。另一个星球。22, 1365-1374 (2005)
Nilsson, M., Bülow, L. & Wahlund, K.使用流场-流分馏快速定量核糖体和核糖体亚基大肠杆菌在不同的蛋白质生产条件下。Biotechnol。Bioeng。54, 461-467 (1997)
韦贝尔,E. R.等人。肝细胞的相关形态计量学和生化研究。J.细胞生物学。42, 68-91 (1969)
葛瑞文,李文杰,李文杰,李文杰。原生生物线粒体的研究。为基础。启麝猫。38, 477-524 (2004)
丹尼尔斯,E. W. & Breyer, E. P.饥饿对变形虫线粒体超微结构的影响。z Zellforsch。91, 159-169 (1968)
Aury,人类。et al。纤毛虫揭示的全基因组复制的全球趋势草履虫tetraurelia.自然444, 171-178 (2006)
车道,N。权力,性,自杀:线粒体和生命的意义(牛津大学出版社,2005年)
库宁,E. V.等。完整真核生物基因组中编码的蛋白质的全面进化分类。基因组医学杂志。5, r7 (2004)一项开创性的贡献,强调了真核生物基因组相对于原核生物祖先的丰富蛋白质含量的独特性。
Fritz-Laylin, L. K.等。基因组Naegleria gruberi阐明早期真核生物的多功能性。细胞140, 631-642 (2010)
古宁,吴佐尼斯,C. A.原核生物基因组进化驱动力的平衡。基因组Res。13, 1589-1594 (2003)
郭志强,郭志强,郭志强。细菌假基因的灭绝动力学研究。公共科学图书馆麝猫。6, e1001050 (2010)
韦莱,T., Takacs, K. & Vida, G.真核生物起源与进化的一个新方面。J. Mol. Evol46, 499-507 (1998)
brochieri, L. & Karlin, S.真核和原核蛋白质组中的蛋白质长度。核酸测定。33, 3390-3400 (2005)
彼得森,K. J., Dietrich, M. R. & McPeek, M. A. MicroRNAs和后生动物宏观进化:对渠化、复杂性和寒武纪大爆发的洞察。Bioessays31, 736-747 (2009)
毕德尔,K. D. &法尔科夫斯基,P. G.浮游光合微生物的细胞死亡。Nature Rev.微生物。2, 643-655 (2004)
氧化还原电位对基因表达的控制以及对叶绿体和线粒体基因组的要求。j理论的。医学杂志。165, 609-631 (1993)
基因组在生物能量细胞器中的功能。费罗斯。反式。r . Soc。Lond。B358, 19-38 (2003)提出了令人信服的生物能量的原因,必要和充分的,以解释在线粒体(和叶绿体)中参与膜相关电子传递的基因的保留。
哺乳动物横纹肌中的线粒体基因表达:基因剂量变化是主要调控事件的证据。生物。化学。261, 12390-12394 (1986)
威廉姆斯,R. S.等。骨骼肌收缩活动对核和线粒体基因表达的调控。生物。化学。261, 376-380 (1986)
谢伊,J. W.,皮尔斯,D. J. & Werbin, H.在各种生长条件下,线粒体DNA拷贝数与总细胞DNA成正比。生物。化学。265, 14802-14807 (1990)
沙皮拉,a.h.线粒体疾病。《柳叶刀》368, 70-82 (2006)
Rocher, C.等人。线粒体DNA水平对细胞能量代谢的影响:线粒体疾病的意义。j . Bioenerg。Biomembr。40, 59-67 (2008)一项系统研究表明代谢率与mtDNA拷贝数呈线性相关。
Moreno-Loshuertos等人。活性氧产生的差异解释了与常见小鼠线粒体DNA变异相关的表型。自然麝猫。38, 1261-1268 (2006)一篇重要的论文,表明自由基信号调节mtDNA拷贝数和ATP合成速率。
Bai, Y., sha克利,R. M. & Attardi, G.小鼠线粒体中NADH脱氢酶ND5亚单位基因表达对呼吸的严格控制。摩尔。细胞。医学杂志。20., 805-815 (2000)一项开创性的贡献,表明mtdna编码的呼吸亚基的转录速率控制着呼吸的总体速率。
哺乳动物细胞中复合物I的组装和功能的线粒体遗传控制。j . Bioenerg。Biomembr。33, 251-257 (2001)
Piruat, J. I. & López-Barneo, J.氧张力调节线粒体dna编码复合体I基因表达。生物。化学。280, 42676-42684 (2005)
Shimizu, M.等。Sigma因子磷酸化在光系统化学计量学的光合控制中的作用。国家科学院学报美国107, 10760-10764 (2010)
舒尔茨,H. N.属Thiomargarita.原核生物6, 1156-1163 (2006)
蒂米斯,J. N.等。内共生基因转移:细胞器基因组锻造真核染色体。自然牧师热内。5, 123-135 (2004)
莱恩,C. E.和阿奇博尔德,J. M.真核生物生命树:内共生取其TOL。生态发展趋势。另一个星球。23, 268-275 (2008)
Ebersbach, G. & Gerdes, K.质粒分离机制。为基础。启麝猫。39, 453-479 (2005)
杨士林,杜立特,李志强,李志强。蛋白质结构域含量对系统发育的影响。国家科学院学报美国102, 373-378 (2005)
车道,N。生命提升:进化的十大发明(诺顿,2009)
尤丁,N.,沃尔夫,M. Y.,沃尔夫,Y. I. & Koonin, E. V.吞噬作用和真核发生的起源。医学杂志。直接4, 9 (2009)
布里格斯,A.达克,J. B. & Field, M. C. Rab蛋白进化和真核细胞内膜系统的历史。细胞。生命科学67, 3449-3465 (2010)
Martin, W. & Koonin, E. V.内含子和细胞核-细胞质区隔化的起源。自然440, 41-45 (2006)
Forterre, P. & Gribaldo, S.带有真核接触的细菌:古代进化的一瞥?国家科学院学报美国107, 12739-12740 (2010)
库兰,C. G.,柯林斯,L. J. &彭妮,D.基因组学和真核细胞的不可还原性。科学312, 1011-1014 (2006)
舒尔茨,H. N.和德比尔,D.氧和硫化物的摄取率测量个体Thiomargarita namibiensis使用微电极的细胞。达成。环绕。Microbiol。68, 5746-5749 (2002)
帕弗雷,L. W.,拉尔,D. J. G. &卡茨,L. A.真核生物基因组的动态性质。摩尔。杂志。另一个星球。25, 787-794 (2008)
确认
我们感谢A. Hidalgo, D. Braben, F. Harold, J. Ellis, H. Schulz-Vogt, J. Allen, G. Shields和L. Sweetlove对手稿的许多讨论和评论,感谢M. Farmer, H. Schulz-Vogt和R. Allen的显微图像。n.l非常感谢伦敦大学学院教务长的风险研究奖学金,W.M.向德国研究基金会和欧洲研究理事会(Networkorigins)提供资金。
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莱恩,N.,马丁,W.基因组复杂性的能量学。自然467, 929-934(2010)。https://doi.org/10.1038/nature09486
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