基因云馆新一代信息数据库

编辑推荐：

　　现代科学的一个最大奥秘就是：生命是如何开始的？大多数科学家认为，所有的生命形式，都是从一个共同的原始祖先微生物进化而来的，但细节却是模糊的。 什么样的基因形成了这种生命体，它居住哪里？

       对生命起源感兴趣的实验科学家一般用两种不同的方法来解决问题。一种方式是“自底向上”的方法，他们试图想象早期的生命如何出现，然后尝试在实验室 中重建关键的步骤。另一种方法是“自顶向下”的方法，是分析或拆开现代细胞，以简化它们，并推导出复杂进化过程中可能发生的的关键阶段。

       对这个问题感兴趣的信息学家利用DNA测序革命中新兴的大量数据。这带来了一个关于生物基因组的信息海洋——从细菌到人类。隐藏在这里面的应该是来自原始细胞的DNA序列的回音——地球上第一个使用现代遗传密码的细胞，通过数十亿个世代传递到了现在。

     “最后一个普遍的共同祖先”是一个非常早期的假设，认为地球上所有的生命都来自于单细胞。这个祖先和现代生物之间的关系，通常是以进化树的形式显现的，其中最著名的例子是Charles Darwin进化树。

        DNA测序的出现为遗传相关性提供了一种精彩的、高度定量的测量，超越了整个生物学。地球上几乎所有的生物都利用相同的四碱基代码A、C、G和T。 因此，一般而言，我们可以用它来构建整个生命的进化树。我们知道，某些基因，如编码核糖体小RNA亚基的基因，存在于地球上细胞生命的开端，似乎已被所有 后来的生命形式继承。在过去的四十亿年中，这个特定的基因——16S rRNA的拷贝，已经逐渐被独立进化分支（已经产生了不同的生命形式）中的随机突变而改变。这意味着，每一个物种的特征序列，都与近期分化的生物谱系相 同，但是却与进化早期分化出来的谱系不同。

        大约30年前，对这些“万能”DNA序列的分析，使我们对地球生命多样性的认识有了戏剧性的变化，尤其是无核单细胞生物（原核生物）惊人的多样性程度。这也强调，存在一个巨大的原核生命的新“领域”，现在被称为古细菌。

        研究人员试图构建真正通用的进化树，将定义所有的现代细胞是如何起源于这最后一个共同祖先，但是受到了一些技术问题的阻碍。一个问题在于，生命最初开始时彼此分离的群体的绝对数量。此外，细菌也可能互相交换基因，这使得我们很难确定它们是如何被传递下去的。

       氢动力的生物？
      在新的研究中，研究人员应用一种复杂的先进方法，将一些测序的原核基因进行聚类。然后他们研究了所有细菌群体的相似模式，发现一小部分的基因存在于古细菌和细菌中。他们表明，这些基因真的很可能是直接起源于一个共同的祖先，而不是通过横向交换的方式。

       这一结果很重要，因为它确定了特定的细菌（梭状芽胞杆菌）和古细菌（产甲烷菌）类群，它们携带这些基因的早期版本，这意味着它们是非常古老的，可能类似于最早产生不同细菌和古细菌谱系的生物。

       更重要的是，保守的基因的性质，讲述了一个惊人的故事，这最后一个共同祖先活在这种环境中，并讲述了它如何提取能量用以生存和茁壮成长。这项研究表 明，近四十亿年前，这些生物所居住的世界与我们现在生活的世界是非常不同的。没有可用的氧气，但根据基因，这一共同的祖先可能从氢气中获得能量，大概是由 地球地壳中的地球化学活动产生的。“惰性”气体包括二氧化碳和氮气，将为制造所有的细胞结构提供了关键的基础。铁是自由可用的，没有氧气将其转化为不溶性 的锈，所以这种元素被早期细胞中的许多酶所使用。一些基因被认为参与了高温适应性，这表明这些生物体在一种热液环境中进化——也许相当于现代热液喷口或温泉，在那里有一些细菌仍然茁壮成长。

        可悲的是，我们没有一台时间机器，所以就没有办法直接验证这些结果。然而，现在这些信息将引起人们极大的兴趣，尤其是有些科学家，希望利用这些信息来告诉他们自下而上的实验，重建现代形式的原始生命。但是，这将是非常难的，因为对高温、氮气、二氧化碳和爆炸性氢气的要求。

原文摘要：
The physiology and habitat of the last universal common ancestor
Abstract：The concept of a last universal common ancestor of all cells (LUCA, or the progenote) is central to the study of early evolution and life's origin, yet information about how and where LUCA lived is lacking. We investigated all clusters and phylogenetic trees for 6.1 million protein coding genes from sequenced prokaryotic genomes in order to reconstruct the microbial ecology of LUCA. Among 286,514 protein clusters, we identified 355 protein families (∼0.1%) that trace to LUCA by phylogenetic criteria. Because these proteins are not universally distributed, they can shed light on LUCA's physiology. Their functions, properties and prosthetic groups depict LUCA as anaerobic, CO2-fixing, H2-dependent with a Wood–Ljungdahl pathway, N2-fixing and thermophilic. LUCA's biochemistry was replete with FeS clusters and radical reaction mechanisms. Its cofactors reveal dependence upon transition metals, flavins, S-adenosyl methionine, coenzyme A, ferredoxin, molybdopterin, corrins and selenium. Its genetic code required nucleoside modifications and S-adenosyl methionine-dependent methylations. The 355 phylogenies identify clostridia and methanogens, whose modern lifestyles resemble that of LUCA, as basal among their respective domains. LUCA inhabited a geochemically active environment rich in H2, CO2 and iron. The data support the theory of an autotrophic origin of life involving the Wood–Ljungdahl pathway in a hydrothermal setting.