双滴虫与细胞核起源问题的探索──庆祝潘清华老师八十寿辰

分析了可能用作研究原始性细胞核的模型的涡鞭毛虫与双滴虫核,发现实际上只有后者是适用的。以蓝氏贾第虫（Ｇｉａｒｉｄｉａｌａｍｂｌｉａ）作为双滴虫类的代表,对其核作了多方面的考察,发现其核中确实还没有核仁;核被膜上有天然的缺口;但核内已经有了核骨架及５种组蛋白。比较的免疫印迹检查表明,在检查到的各种原生生物中,蓝氏贾第虫的着丝粒／动粒蛋白最接近于原细菌的相应蛋白。有人怀疑蓝氏贾第虫缺少线粒体及典型高尔基氏器等原始性特征实际上不过是由于过寄生生活所致。本文针对这种怀疑进行了多方面的分析。其实所有过自由生活的双滴虫类都没有线粒体及典型高尔基氏器,看来也全都没有核仁,核被膜全都有缺口。依据上述的发现,对真核细胞发生之初原始性细胞核的特性进行了推断,进而对细胞核的整个起源过程进行了分析：认为在真核细胞的原细菌祖先体内就已经有了核骨架;多个类核体的ＤＮＡ结合在其上而构成了核区。我们关于组蛋白的分子进化研究表明,核小体组蛋白的共同祖先在极早的时候就已经分化成了４种。因此可以相信,真核细胞的原细菌祖先很早就有了４种核小体组蛋白和核小体。本文着重分析了染色体的起源过程并进一步发展了过去已经提出的核被膜起源于原始性内质网的学说（     

蓝氏贾第虫核被膜缺口的电镜观寨

双滴虫类是迄今所知的现存最原始的真核生物类群。以蓝氏贾第虫作为双滴虫类的代表,对其细胞核进行了电镜观察。除了未见有核仁外,还发现其核被膜的横切面上存在有缺口。在缺口的边缘处,核内膜与校外膜是相互连接着的,表明并非切片时所造成的假象。核被膜缺口处常有一核纤层样的薄层分隔核质与细胞质。用高锰酸钾固定细胞以求只保存膜结构时,核被膜缺口仍然可见,上述的薄层即未见到。核被膜缺口的发现证实了李靖炎（１９７９）的核被膜起源假说所作出的推断。     

蓝氏贾第虫核被膜缺口的电镜观察

双滴虫类是迄今所知的现存最原始的真核生物类群。以蓝氏贾第虫作为双滴虫类的代表,对其细胞核进行了电镜观察。除了未见有核仁外,还发现其核被膜的横切面上存在有缺口。在缺口的边缘处,核内膜与核外膜是相互连接着的,表明并非切片时所造成的假象。核被膜缺口处常有一核纤层样的薄层分隔核质与细胞质。用高锰酸钾固定细胞以求只保存膜结构时,核被膜缺口仍然可见,上述的薄层即未见到。核被膜缺口的发现证实了李靖炎（1979）的核被膜起源假说所作出的推断。     

蓝氏贾第虫核小体的初步研究

最原始的真核生物蓝氏贾第虫虽已有五种组蛋白,但以微球菌核酸酶水解却得不到规则的DNA片段。鉴于贾第虫的特殊进化地位,探讨其是否具有核小体结构,对于研究核小体的起源和进化具有重要的意义。采用改进的染色质铺展技术制备核小体并进行透射电镜观察。结果表明蓝氏贾第虫已有了直径约l0nm的核小体结构。作者认为核小体的形成可追溯到真核生物形成的初期甚至更早,核小体的完善则在真核生物形成之后。     

无核仁原生动物蓝氏贾第虫rDNA的分布

过去的工作已表明,源真核生物（Archezoa)中的双滴虫类极其原始,核中尚无核仁发生,以蓝氏贾第虫（Giardia lamblia)作为双滴虫类的代表,用高度特异的核仁组织区银染法（改良的Ag-I法,李靖炎,1985）在电镜下检视其rDNA在核中的分布。结果发现,代表rDNA之所在的银粒并不集中形成任何类似核仁组织区或核仁纤维区的结构;在作为对照的小眼虫（Euglena gracilis)体内,银粒则完全集中在核仁纤维区中,因此,作者以为贾第虫rDNA的这种分布代表着核仁组织区进化形成以前的一种原始状态。     

源真核生物贾第虫与原细菌着丝粒／动粒蛋白的免疫印迹检查

以抗人着丝粒蛋白Ｂ的单抗和多抗以及抗ＣＨＯ细胞动粒蛋白的单抗对源真核生物（ａｒｃｈｅｚｏａ）蓝氏贾第虫（Ｇｉａｒｄｉａｌａｍｂｌｉａ）和分别代表原细菌的３个枝的３种原细菌（Ｈａｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｍａ、Ｓｕｌｆｏｓｐｈａｅｒｅｌｌｕｓ）作了免疫电泳检查,并以小眼虫和大肠杆菌作为对照。结果表明,３种原细菌都呈阳性反应;而且贾第虫的反应情况显然比纤毛虫、眼虫、典型涡鞭毛虫、尖尾虫（Ｏｘｙｒｒｈｉｓ）等单细胞后真核生物的更接近于原细菌的情况。这不仅从一个新的方面为真核细胞起源于古代的原细菌的学说提供了新的佐证,而且从着丝粒／动粒蛋白方面证明了源真核生物贾第虫的原始性。本工作还为认识着丝粒蛋白Ｂ和动粒蛋白的起源和演化提供了线索。     

蓝氏贾第虫组蛋白的初步研究

本文初步比较分析了贾第虫组蛋白的存在及其基本组成。通过甲醇固定,两次０．３ｍｏｌ／ＬＨＣｌ抽提及丙酮沉淀,提取贾第虫酸溶性蛋白,利用亲和层析制取总ＤＮＡ结合蛋白,经酸性尿素系统及ＳＤＳ系统电泳分析表明,贾第虫已存在５种组蛋白,其在两种不同性质电泳系统中的电泳行为与相应的小牛胸腺组蛋白有近似的对应关系。说明贾第虫的组蛋白已发生了分化,并已初步形成了性质不同的几个组份,从而在一定程度上支持核小体组蛋白在真核生物的原核祖先阶段就已产生了分化的假说。     

生物的分界与前源真核生物界的提出

根据本实验室对贾第虫（Ｇｉａｒｄｉａ）细胞核的观察、研究,并参阅有关文献及电镜照片报道,发现双滴虫类的细胞核有两个极原始的特征：１）还没有进化出核仁;２）核被膜尚不完整。它们在核分裂方面也是极原始的。据此,作者建议把Ｃａｖａｌｉｅｒ—Ｓｍｉｔｈ（１９８９）提出的源真核生物（Ａｒｃｈｅｚｏａ）超界中的源真核生物界划分为两个界,即以双滴虫门为代表的前源真核生物（Ｐｒｏａｒｃｈｅｚｏａ）界和包含目前所知的其他源真核生物的后源真核生物（Ｍｅｔａｒｃｈｅｚｏａ）界。     

细胞核起源研究的意义和研究途径的探讨

细胞核的起源是真核细胞进化形成的关键。回顾了过去几十年国内外对细胞核起源问题的探索历程,通过多年的摸索找到了一个条切实可行的探索细胞核起源问题的途径。其要点：在一系列的进化环节中首先抓住原始性的细胞核这一重要环节,探明原始性细胞核的特性,解决了从原始核到典型细胞核的进化问题,原始性细胞核自身的起源问题也就有了基础,为探源始性细胞核的特性,需要在现存的原生生物中间寻找最原始的类群,然后对它们的细胞核进行尽可能深入地和多方面地研究,对所得结果作进化地分析,以期提出一个原始性细胞核的模型,依据这个模型也就可对典型的细胞核的进化形成和原始核自身的起源作出推论,而这个原始性细胞核的模型,依据这个模型也就可以对典型细胞核的进化形成和原始核自身的起源作出推论,这些推论是可以设法加以检验的,不仅可以检验这些推论的正确性,而且对原始核模型的建立是重要的,可以据之加以发展,修正,甚至否定,沿此途径已经否定了原始性细胞核的涡鞭毛虫核模型,进而提出了双滴虫核模型。     

蓝氏贾第虫核纤层蛋白基因的初步研究

贾第虫一度被认为是迄今已知的最原始的真核细胞,但近来争议日盛。利用PCR和测序等技术,对蓝氏贾第虫(Giardia lamblia)的核纤层蛋白(lamin)基因进行了研究。结果表明：蓝氏贾第虫基因组中存在一个编码具有明显lamin特征的基因序列。如该基因序列的3’一端具有编码与核内膜亲和的特征性模体(motif)CaaX的序列;具有B型lamin基因所特有的高度保守的27bp片段,该片段编码高度保守的位于a螺旋杆状区的9氨基酸片段等。同时,这些序列特征又与多细胞的后生动物存在一定差异。这些事实说明在贾第虫中已经进化产生了典型真核细胞的B型lamin(基因)或至少是类似B型的lamin(基因),该生物的进化地位可能并非过去所认为的那么原始。     

硒对金黄滴虫生长谷胱甘肽过氧化物酶及超微结构的影响

金黄滴虫在含硒1ppm的培养液中的生长情况和超微结构与对照组的细胞基本相同。在含硒6ppm的培养液中,前48小时细胞生长正常,以后容器中出现类似硫化氢的气味,细胞数量急剧下降,细胞变圆,运动缓慢,叶绿体变小并且绿色减退,金藻糖泡增大,在干涉显微镜下可见核仁中央下陷,成一小凹。在电镜下,核仁的中央区电子密度很低,这一区域可能相当于干涉镜下所见的小凹。在另一切面上可以看出这一区域是有开口与核基质相通的。电镜照片还揭示叶绿体结构松散,类囊体减少,在稀薄的基质中出现一些直径约为0.4—0.5μ的核仁样小体。部分细胞的线粒体形态异常,内质网及管状纤维增多。此外,作者测定了细胞谷胱甘肽过氧化物酶的活性的变化,并对硒的作用、核仁和叶绿体的变化以及核仁样小体的性质进行了讨论。     

源真核生物蓝氏贾第虫核分裂的初步观察

贾第虫属于源真核生物（Ａｒｃｈｅｚｏａ）中的双滴虫门,是目前所知的最低等的真核生物。本工作首次对蓝氏贾第虫（Ｇｉａｒｄｌｉａｌａｍｂｌａ）的核分裂作了初步的电镜观察,未能在分裂着的核中见到纺锤体或纺锤体微管。以０．１—２０μｇ／ｍｌ浓度的秋水仙素作实验,其核分裂也不受阻抑。以抗微管蛋白的多抗作免疫荧光检查,也未见分裂着的核中有微管蛋白。这似乎意味着其核分裂方式乃是前有丝分裂性质的。对此进行了讨论。     

蓖麻蚕前胸腺细胞超微结构的变化与蜕皮激素分泌活动的关系

本研究叙述蓖麻蚕Philosamia cythia ricini四龄及五龄幼虫前胸腺蜕皮激素分泌活动各不同时期所显示的腺细胞超微结构变化.从幼虫蜕皮后至进入眠期之间的腺细胞结构可分为三个时期,(1)不活动期:细胞核呈圆形,核内密布染色质及核仁,细胞质内有结构完整的线粒体、粗面及滑面内质网、核糖体和高尔基氏体;细胞外围的细胞间区内有许多小囊泡及多泡囊.(2)活动期:细胞结构变化为细胞核膜出现内陷、外突,形成波浪形的核周膜;线粒体变形,出现内嵴稀疏的空心线粒体.(3)激素释放期:细胞核变形,形成若干长短不一向外伸出的指状突,有些伸达细胞边缘;其余细胞器退化,其后仅余残缺的高尔基氏体,稀疏的核糖体,线粒体的内崤逐渐消失,成为空腔扩大的及空腔内藏“膜轮”的线粒体,和一些溶解体及大形“膜轮”.     

蓖麻蚕前胸腺细胞超微结构的变化与蜕皮激素分泌活动的关系

本研究叙述蓖麻蚕Philosamia cythia ricini四龄及五龄幼虫前胸腺蜕皮激素分泌活动各不同时期所显示的腺细胞超微结构变化。从幼虫蜕皮后至进入眠期之间的腺细胞结构可分为三个时期,(1)不活动期:细胞核呈圆形,核内密布染色质及核仁,细胞质内有结构完整的线粒体、粗面及滑面内质网、核糖体和高尔基氏体;细胞外围的细胞间区内有许多小囊泡及多泡囊。(2)活动期:细胞结构变化为细胞核膜出现内陷、外突,形成波浪形的核周膜;线粒体变形,出现内嵴稀疏的空心线粒体。(3)激素释放期:细胞核变形,形成若干长短不一向外伸出的指状突,有些伸达细胞边缘;其余细胞器退化,其后仅余残缺的高尔基氏体,稀疏的核糖体,线粒体的内崤逐渐消失,成为空腔扩大的及空腔内藏“膜轮”的线粒体,和一些溶解体及大形“膜轮”。     

核骨架与真核基因复制起点

一、核骨架 核骨架(nuclear scaffold)又名核基质(nuclear matrix,NM),是细胞核内一种动态亚组分结构,其功能是将DNA组织成相对独立的区域(domain),并为其提供专一性的转录、复制及RNA加工的控制位点。它在形态上为一种细胞核内不溶的骨架网络,包括核纤层(lamina)、内层蛋白纤维颗粒、残留的核仁和核孔复合体。它普遍存在于真核细胞中,维持了细胞核的基本形态。     

从基因组分析贾第虫的核糖体合成系统

为探讨贾第虫细胞核内核糖体合成系统,及与典型的真核生物有何差异,首先,确定在典型真核生物中参与核糖体合成的129条共有的保守蛋白,然后用这些蛋白搜索贾第虫基因组以调查它们在贾第虫中的直系同源蛋白的情况,以对贾第虫的核糖体合成系统作一了解。结果表明：贾第虫具有89条这些蛋白的直系同源蛋白,包括参与rRNA甲基化和假尿嘧啶化的蛋白复合体成员,以及存在于90S、40S和60S复合体中的蛋白。贾第虫的核糖体合成系统与典型的真核生物相似,但还有40条蛋白在贾第虫基因组中找不到同源蛋白。这意味着贾第虫的核糖体合成系统较典型的真核生物简单。贾第虫虽然没有核仁结构,但其核糖体亚基合成的途径和机制可能与真核细胞相似,参与的成分不同于无核仁结构的原核生物,可能相对简单。     

几类“无线粒体”原生动物进化地位的探讨

以贾第虫、毛滴虫、内变形虫和微孢子虫等为代表的几类寄生原生动物曾因为“无线粒体”, 再加上其他一些似乎介于原核和真核细胞之间的原始特点和分子系统树中它们往往处在真核生物的最基部等证据, 而被有些人认为是目前已知的一类最原始的真核生物类群——Archezoa, 其进化地位应该是处在真核细胞通过“内共生”产生线粒体之前的极早阶段. 这一观点一度被部分学者认为对探讨真核细胞(生物)的起源、进化极为重要, 是进化生物学上的重要突破. 然而, 近年来不断有研究对此提出质疑. 我们首先扩增、测序并鉴定了蓝氏贾第虫、阴道毛滴虫和痢疾内变形虫的DNA拓扑异构酶Ⅱ序列, 再结合GenBank数据库中已有的脑炎微孢子虫和其他一系列处在不同进化地位的真核生物的相应序列数据, 用多种方法构建出分子系统树, 对这些“无线粒体”原生动物的进化地位进行了探讨. 结果表明, 由于DNA拓扑异构酶Ⅱ的特点和可以克服“长枝吸引”等以往分子系统分析中的不足, 所构建的系统树不仅能有效地反映出已普遍接受的真核生物各主要类群的系统关系, 而且显示出这些“无线粒体”原生动物不同于以前系统树所推测的进化地位: 它们并非是最早分支出来的真核生物, 而是在具有线粒体的生物如动基体类或菌虫类等之后才分化的、分别属于不同进化地位的类群. 结合近来在它们中发现了类似线粒体细胞器的证据, 我们认为这些“无线粒体”的原生动物虽然其中有些种类(如以贾第虫为代表的双滴虫类)进化地位很低等, 但总体上并非过去所认为的那么极端原始, 它们应该是线粒体产生之后因适应长期的无氧条件下的内寄生生活方式才分别分化出来的多源发生的不同生物类群.     

几类"无线粒体"原生动物进化地位的探讨--来自DNA拓扑异构酶Ⅱ的系统分析证据

以贾第虫、毛滴虫、内变形虫和微孢子虫等为代表的几类寄生原生动物曾因为"无线粒体", 再加上其他一些似乎介于原核和真核细胞之间的原始特点和分子系统树中它们往往处在真核生物的最基部等证据, 而被有些人认为是目前已知的一类最原始的真核生物类群--Archezoa, 其进化地位应该是处在真核细胞通过"内共生"产生线粒体之前的极早阶段. 这一观点一度被部分学者认为对探讨真核细胞(生物)的起源、进化极为重要, 是进化生物学上的重要突破. 然而, 近年来不断有研究对此提出质疑. 我们首先扩增、测序并鉴定了蓝氏贾第虫、阴道毛滴虫和痢疾内变形虫的DNA拓扑异构酶Ⅱ序列, 再结合GenBank数据库中已有的脑炎微孢子虫和其他一系列处在不同进化地位的真核生物的相应序列数据, 用多种方法构建出分子系统树, 对这些"无线粒体"原生动物的进化地位进行了探讨. 结果表明, 由于DNA拓扑异构酶Ⅱ的特点和可以克服"长枝吸引"等以往分子系统分析中的不足, 所构建的系统树不仅能有效地反映出已普遍接受的真核生物各主要类群的系统关系, 而且显示出这些"无线粒体"原生动物不同于以前系统树所推测的进化地位: 它们并非是最早分支出来的真核生物, 而是在具有线粒体的生物如动基体类或菌虫类等之后才分化的、分别属于不同进化地位的类群. 结合近来在它们中发现了类似线粒体细胞器的证据, 我们认为这些"无线粒体"的原生动物虽然其中有些种类(如以贾第虫为代表的双滴虫类)进化地位很低等, 但总体上并非过去所认为的那么极端原始, 它们应该是线粒体产生之后因适应长期的无氧条件下的内寄生生活方式才分别分化出来的多源发生的不同生物类群.     

肌动蛋白存在于蚕豆细胞核和染色体中

以兔抗肌动蛋白抗体为一抗,FTTC偶联的羊抗兔IgG抗体为二抗进行间接免疫荧光实验,观察到蚕豆(Vicia faba L.)根端分生组织中完整的细胞核和染色体均有明亮荧光。用抗肌动蛋白抗体和蛋白A-胶体金进行标记的免疫电镜实验结果表明,金颗粒分布在蚕豆细胞核中,集缩染色质和核仁中金颗粒较多。经DNaseI消化和2 mol/L NaCl处理得到去除DNA和组蛋白的细胞核和染色体。免疫荧光实验结果指出,去除DNA和组蛋白的细胞核和染色体与抗肌动蛋白抗体呈阳性反应。上述结果说明,肌动蛋白不仅存在于完整的蚕豆细胞核和染色体中,而且存在于去除DNA和组蛋白的蚕豆细胞核和染色体中。另外,用抗原肌球蛋白抗体所做的免疫荧光标记结果表明,原肌球蛋白也存在于蚕豆细胞核和染色体中。对高等植物细胞核和染色体以及核骨架和染色体骨架是否含有肌动蛋白等问题进行了讨论。     

细胞的起源

作者从19世纪“细胞学说”提出后,纵观细胞学的研究,阐述了真核细胞的进化和起源问题。对真核生物的细胞核、染色体、线粒体和叶绿体的起源作了概括的论述,说明真核生物的祖先与古代嗜高温、嗜硫的原细菌关系密切,但真核生物不可能来自真细菌类。