儘管動物、植物、真菌和原生動物的細胞千差萬別，但它們都有一個顯著的特徵：細胞核。這是一個封閉式（以核孔作為物質進出通道）的膜狀細胞器，包裹著細胞中大多數的遺傳物質。儘管細胞中也有其他的細胞器，比如產生能量的線粒體，但細胞核的存在是法國生物學家愛德華·查頓在1925年提出“eukaryotes”（真核生物）這一概念的靈感，它指的是具有“真正內核”的生物。

來源：Quanta Magazine

撰寫：克里斯蒂·威爾考克斯（Christie Wilcox）

翻譯：任天

查頓將其他所有生物都認定為“prokaryotes”（原核生物），意即“細胞核出現之前”。從此，有核生命和無核生命的分別便成為生物學的基礎。

沒有人確切知道細胞核是如何進化並產生這種分裂的。然而，越來越多的證據讓一些研究人員相信，細胞核可能是通過一種共生關係而產生的，就像人們認為產生線粒體的那樣。但這其中存在一個關鍵的區別：負責產生細胞核的伙伴可能根本不是大家想像中的一個細胞，而是一種病毒。

真核生物是什麼的問題，正是所謂’新興的複雜性’科學的經典例子。早在2001年，研究人員就提出了真核生物細胞核的病毒起源假說，並在今年9月更新了這一理論。這種理論簡言之就是，三種生物聚集在一起，形成了一個新的群體，它們最終融合在一起，本質上成為了一種新的生命形式。

在一個細胞內，一個“病毒工廠”（中央左側的巨大圓形區室）被它所製造的新病毒顆粒（較小的多面體）包圍。有些病毒通過引導這些隔層的形成，將自己的DNA與宿主DNA分隔開來。

研究人員從一些發現中獲得了信心，比如巨型病毒會在原核細胞內建立“病毒工廠”，即與細胞核相似的區室，能夠解耦轉錄（閱讀基因）和翻譯（構建蛋白質）的過程。但其他大多數研究真核生物起源的研究者並不同意這種看法。

病毒：是禮物還是欺騙？

科學家普遍認為，真核生物最早出現在25億至15億年前。有證據表明，當時有一種細菌在另一種截然不同的原核生物——古菌——內部定居下來，成為了線粒體。但是，關於細胞核的出現，還縈繞著一個更深層次的謎團；沒有人知道那個古菌是否已經是一種有細胞核的原始真核生物，抑或是後來才出現了細胞核。

任何關於真核生物細胞核起源的故事都需要解釋它的幾個特徵。

首先是結構的性質：嵌套的內外膜，以及連接內部和細胞其他部分的孔洞。其次是一種奇怪的分隔方式，能將基因的表達限制在自身內部，而將蛋白質的構建留在外部。一個真正有說服力的起源故事還必須解釋為什麼細胞核會存在——是什麼演化壓力促使這些古老的細胞將它們的基因組圍攏起來。

在過去一個多世紀的大部分時間裡，關於細胞核起源的推測都未能回答這其中哪怕一個問題。但在21世紀到來之際，兩位研究者各自提出了細胞核形成有賴於病毒的觀點。

如今已身為東京理科大學的分子生物學家和病毒學家的竹村雅治當年還是名古屋大學的一名研究助理，他在研究細胞中用來複製DNA的DNA聚合酶的生物化學特性時，對細胞核的演化產生了興趣。他對真核、細菌、古生和病毒的DNA聚合酶進行了系統發育分析，結果顯示，有一類病毒（痘病毒）的DNA聚合酶與真核生物的一種主要聚合酶驚人地相似。竹村雅治推測，真核生物的酶最初的起源，正是一些古代痘病毒的貢獻。

熒光顯微鏡下被“美杜莎病毒”（medusavirus）感染的阿米巴原蟲。這種病毒的DNA（粉紅色）聚集在細胞核內，與變形蟲的DNA（藍色）分隔

竹村雅治還發現，痘病毒會在它們所感染細胞的區室內產生並複制。綜合這些事實，他提出了一個理論：真核細胞的細胞核來自於這些遠古痘病毒形成的一個區室。他在2001年5月的《分子演化雜誌》（上發表了這一觀點。

與此同時，在澳大利亞的菲利普·貝爾基於不同的原因也得出了類似的結論。20世紀90年代初，還是研究生的他對細胞核起源的理論很感興趣，尤其是細胞核可能像線粒體一樣，從一個內共生體發展而來的觀點。“看了五分鐘，我就想，’天哪，如果是內共生體，那就不是某種細菌，’”貝爾回憶道。他覺得，細菌和真核生物的基因組有太多的不同，比如真核生物的染色體是線形的，而細菌的染色體往往是圓形的。

然而，當貝爾觀察病毒的基因組時，他發現痘病毒和真核生物的基因組結構驚人地相似。他說：“我花了九年時間才發表了這個模型的第一個版本。”然後，經過18個月的反复研究，這篇論文才在《分子演化雜誌》上發表——比竹村雅治的論文晚了4期。

在將近20年後的今天，竹村雅治和菲利普·貝爾都分別更新了他們的假說。竹村雅治的修訂版發表於9月3日的《微生物學前沿》網絡版，而貝爾的論文發表於9月20日的《病毒研究》。

“我又比他晚了”，貝爾笑著說。

兩位科學家都將最近發現的一組非同尋常的“巨型病毒”作為更新假說的主要原因之一。當他們各自發表最初的理論時，這些病毒是完全未知的。它們的基因組有超過100萬個鹼基對，在體積上與自由生存的小型細菌不相上下；它們還攜帶著一些病毒版本的蛋白質基因，所表達的蛋白質參與著細胞的必要過程。因為有證據表明一些蛋白質的真核版本基因來自這些病毒。

但最重要的是，這些巨型病毒可以在宿主細胞細胞質中復雜的、自我構建的區室中進行複制，這就是為什麼這些病毒（比如痘病毒）被歸為“核質巨DNA病毒”（NCLDVs）的原因。演化生物學家表示，對於這些巨型病毒而言，它們所製造的區室就是“像真核生物細胞核一樣大的病毒工廠”。很明顯，這些由核質巨DNA病毒感染真核生物後所形成的“病毒工廠”也像細胞核一樣具有內外膜，巨型病毒可能正是細胞核的起源。

細胞核來自於巨型病毒的可能方式有兩種，要么是病毒工廠變成了細胞核，要么是原始真核生物的細胞學習了這些病毒，使自己成為某種保護染色體的病毒工廠。

竹村雅治認為後者的可能性更大：病毒更多的是在無意中為真核細胞做出了貢獻，既激發了古菌開始構建遺傳屏障，也是構建該屏障所需的一些基因的來源。

根據竹村雅治的假設，很久以前，一個巨型病毒在受感染細胞中建造了一個“病毒工廠”，將它自己的基因組和古菌宿主的基因組包含在內。但與大多數受感染細胞不同的是，這個宿主成功竊取了病毒建造屏障的技巧，並構建了自己的區室，用來保護自身基因組不受病毒感染。隨著時間的推移，這個半永久的屏障就演化成了我們所知的細胞核。

病毒如何形成細胞核？（1）巨型病毒感染古代原核生物細胞，其DNA進入細胞內部；（2）一個“病毒工廠”形成，將病毒DNA隔離起來，並製造新的病毒顆粒；（3）一個理論認為，“病毒工廠”可能引入了細胞基因，有助於病毒增殖；另一個理論認為，細胞可能藉用了病毒基因來形成一個區室，將自身基因分隔起來；（4）包含細胞基因的區室可能演化成一個永久性的細胞核，病毒的功能逐漸消失

而貝爾更傾向於“病毒工廠”直接演變成細胞核的說法，因為這一過程更能反映已知的病毒感染原核生物的行為。“它們更像是《天外魔花》裡的外星人入侵，”他說。《天外魔花》是一部1956年的美國科幻恐怖電影，講述了外星人入侵時試圖通過複製人類來掌控地球的故事。

貝爾認為，一種古老的巨型病毒感染了古菌，並建立了一個“病毒工廠”，但沒有殺死它的宿主細胞。相反，這個結構成功地保留了下來，然後“這個病毒，是一個基因竊賊，從古菌那裡偷走了基因，並完全摧毀了其基因組”。這是病毒，尤其是巨型病毒的一個共同主題——從宿主身上獲取基因，使它們對宿主的依賴性降低。這甚至可能有助於解釋為什麼那麼多線粒體基因轉移到細胞核，“多年來，它一直在竊取線粒體的基因，並開始對其進行控制。”

因此，在某種程度上，“病毒只是把古菌細胞當作一件斗篷，”貝爾表示，如果這個模型是正確的，“你可以說每個人類細胞的核心都是一個病毒。”

有爭議的起源

自從竹村雅治和菲利普·貝爾的早期論文發表以來，出現了若干與細胞核病毒起源觀點一致的發現。例如，研究者已經發現了巨型病毒譜系的全部分支，這拓寬了我們對它們演化歷史的理解，特別是它們與宿主交換的必要基因——偷來的基因，或者在某些情況下，是它們給予細胞的基因。

此外，在2017年，研究人員發現一種病毒在細菌宿主體內構建了“病毒工廠”。在此之前，“病毒工廠”似乎只屬於那些感染真核生物的病毒，因此，在原核生物中發現了“病毒工廠”支持了這樣一種觀點：類似的事情可能在很久以前就發生了，從而導致了細胞核的形成。

在這種病毒的例子中，“這種類核結構不是基於膜的”，這使得它有別於許多“病毒工廠”和真核生物細胞核。儘管如此，這個在原核細胞內，病毒在其基因組周圍構建保護性“區室”的例子，“強烈表明在原始的真核細胞中……（可能）發生過同樣的病毒區隔。”

就在今年，研究人員在冠狀病毒的雙層膜“病毒工廠”中發現了小孔，這讓人聯想到細胞核的核孔。如果這個結果站得住腳，並假設形成孔的蛋白質不是來自真核生物基因組，那麼這的確可以削弱反對病毒模型的論點。

這種擬菌病毒（mimivirus）是幾年前才發現的巨型病毒之一

有其他細胞生物學家提出了另一種假設：細胞核實際上是古菌外膜的殘餘。本質上，他們認為原始的古菌在開始探索周圍的世界時，會通過包著外膜的膜泡與細菌接觸。隨著時間的推移，這些膜泡不斷增大，直到它們再次融合在一起，形成新的外膜和內膜褶皺，從而形成細胞內的其他區室。核生物已知最近的現生親屬具有大量的細胞外突起，可以與原核生物相互作用。

至於另一個證據——病毒給予了真核生物一些最基本的核蛋白基因，細胞生物學家認為主要的問題是很難確定這些基因的方向性。“病毒是終極的盜竊者”，因此它們不斷地從宿主身上獲取基因，因此對於這個問題必須非常謹慎地，我們是否真的發現了病毒和真核生物之間的相似性，我們不知道是它們把基因給了真核生物，還是真核生物把基因給了它們。

還有另外一種理論假設，認為真核生物並不起源於能夠吞噬細菌，並將其變成線粒體的古菌。相反，古菌可能就生活在一個更大的細菌內部，這是一個早期內共生事件的結果，細胞核來自於古菌，而細胞質來自於細菌。二者組成的共生體吸收了線粒體的原型。

不過，竹村雅治表示，其他這些假設都存在缺陷，因為它們最多只能“解釋細胞核出現的現象”——它們缺乏能夠解釋為什麼基因組被封閉，以及為什麼蛋白質生成部分被排除在外的演化原理。菲利普·貝爾也認為這是癥結所在，他看不出其他任何假說是如何解釋轉錄和翻譯相互分離的。相比之下，病毒起源說不僅最為合理，也具有最強有力的證據。

等待發現

當然，想要說服其他科學家接受病毒起源說的觀點，還需要更多的證據。不過，20年來的技術進步或許最終會讓相關的證據觸手可及。

就在今年，來自日本的研究人員宣布，經過十多年的嘗試，他們終於分離並培養出了洛基古菌（Lokiarchaeota）。這種古菌被認為是原始真核生物合作共生關係一部分。該進展或許能讓我們發現感染真核生物原始祖先的病毒，並讓我們看到這些感染的實際情況。

如果你能找到一類能夠感染洛基古菌的新病毒，使其在細胞內部定居下來，並能打開孔洞，促進基因轉錄快速流向細胞質的話，那將是更加有說服力的證據，表明病毒導致了細胞核的誕生。

菲利普·貝爾指出，最近有研究者對發現洛基古菌的深海沉積物進行了基因測序，發現了一個巨型病毒的“寶庫”。他希望有人能夠驗證一下這些病毒能否感染古菌，如果答案是肯定的話，它們又能否建立起類似核質巨DNA病毒感染真核生物時所形成的“病毒工廠”？他表示，證明這一點將意味著這場爭論有了最終答案。

竹村雅治也希望能證實這樣的病毒存在。他說：“發現能在古菌細胞中構建核結構和膜結構的病毒，將是細胞核病毒起源的最強有力證據。”

在這些非同尋常的證據發現之前，依賴病毒的真核生物起源假說仍有爭議。但即使最終被證偽，對該理論的每一次檢驗也都將揭示真核生物演化歷史的不同細節。也正因為如此，我們才能越來越接近了解真核生物（包括我們自己）從何而來的真相。