遗传物质DNA的精准复制，是保障所有生物生存、生长和繁衍最核心的生物学过程之一。人类与植物、酵母、草履虫等真核生物拥有一套类似的复杂DNA复制机制，而这一套复杂机制是如何演化而来的？宁波东方理工大学理学部副教授吴法柏团队从一类海洋古菌中找到了答案。
北京时间10月21日，相关研究成果刊登在《自然-生态与进化》（Nature Ecology & Evolution）。宁波东方理工大学为第一完成单位。
所有细胞生命，无论是简单的原核生物还是更加复杂的真核生物，均以双链DNA为遗传物质。DNA复制错误既是生命进化的动力，也是癌症等疾病的主要诱因之一。
复杂的真核生物由简单的原核生物（古菌）进化而来。然而，真核生物的基因组普遍比原核生物多数十倍，甚至上万倍。为保障庞大的基因组能够得到准确的复制，真核生物拥有一套远比其祖先复杂的DNA复制机制，包括用多个DNA聚合酶进行明确分工等。一直以来，这些复杂机制被认为是早期真核生物所独有。
真核DNA复制机制部件由古菌部件的复杂化而来｜课题组供图
吴法柏团队发现，多个复杂模块在阿斯加德古菌的原核生物中便已出现，他们因此提出真核生物祖先（LECA）核心遗传机制的复杂化始于古菌。这些发现填补了遗传学领域的一个长期知识空白，也为未来古菌DNA聚合酶的生物技术开发提供了新思路。
该研究结合系统发育学、统计学方法、阿尔法折叠（AlphaFold）结构预测和生化实验，对生命之树中古菌与真核生物的DNA复制体系多样性进行了深入探索，发现阿斯加德古菌门的不同分支编码独特的与真核生物相类似的复制机制部件。其中，这些古菌编码的DNA聚合酶、引发酶和RFC复合体与真核生物的同源性尤为突出。研究者通过酵母双杂交、免疫共沉淀等方法验证了这些复合体的存在。此外，研究还发现flap内切酶Fen1、拓扑异构酶VI亚基Top6A等在其他阿斯加德古菌类群中也存在类真核的模序变异。
过去学界普遍认为这些复杂性是真核生物所独有的，然而本研究通过对大量古菌与真核生物基因组数据的系统分析，揭示了复制机制中部分组件的分工细化，和结构复杂化源于阿斯加德古菌，早于真核生物起源。
此外，该研究表明水平基因转移（HGT）是真核生物起源过程中核心遗传学创新的关键驱动力。虽然我们已知水平基因转移是新功能获得的重要途径，但其在核心遗传机制研究的并未获得重视。研究者提出，水平基因转移对生物核心功能基因的渗透对从古菌到真核生物进化过程中遗传机制的复杂化起着关键作用。
真核生物起源过程中DNA复制机制的进化图谱｜课题组供图
论文第一作者为浙大杭州国际科创中心副研究员冯彦磊，通讯作者为宁波东方理工大学副教授吴法柏。参与该研究的团队成员还有杭州职业技术学院副研究员丁京京，浙大杭州国际科创中心研究生林友雄、研究助理崔丹曦。文章的合作者包括浙江大学海洋学院教授郑道琼、研究生李克景，宁波东方理工大学讲席教授蔡宗苇，美国俄亥俄州立大学教授Stephen D. Bell。该研究得到国家自然科学基金委、宁波市生物医学数据挖掘与计算重点实验室，以及科技部ONCE计划等项目支持。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41559-025-02882-6
吴法柏
宁波东方理工大学理学部副教授
课题组主要研究方向为，基于基因组学与人工智能的蛋白质功能进化研究、微生物固氮系统与合成生物学、微生物与病毒互作的动态与进化、深海微生物与病毒介导的碳氮循环等。
课题组负责人吴法柏，宁波东方理工大学理学部副教授、研究员、博士生导师，国家级人才。团队期待微生物学、分子生物学、生物信息学、定量与合成生物学、结构生物学等学科背景的青年研究人员加入，包括博士研究生、博士后和科研助理。有意者请发送简历至邮箱，请附上研究兴趣点。
联系方式：fabaiwu@eitech.edu.cn
