Energy for two: New archaeal lineages and the origin of mitochondria

Abstract

Metagenomics bears upon all aspects of microbiology, including our understanding of mitochondrial and eukaryote origin. Recently, ribosomal protein phylogenies show the eukaryote host lineage - the archaeal lineage that acquired the mitochondrion - to branch within the archaea. Metagenomic studies are now uncovering new archaeal lineages that branch more closely to the host than any cultivated archaea do. But how do they grow? Carbon and energy metabolism as pieced together from metagenome assemblies of these new archaeal lineages, such as the Deep Sea Archaeal Group (including Lokiarchaeota) and Bathyarchaeota, do not match the physiology of any cultivated microbes. Understanding how these new lineages live in their environment is important, and might hold clues about how mitochondria arose and how the eukaryotic lineage got started. Here we look at these exciting new metagenomic studies, what they say about archaeal physiology in modern environments, how they impact views on host-mitochondrion physiological interactions at eukaryote origin.

Alternating terminal electron‐acceptors at the basis of symbiogenesis: How oxygen ignited eukaryotic evolution

“…http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?category=Lokiarchaeota; ). Surprisingly, the assembly hints at a hydrogen‐dependent metabolism . If this turns out to be the case, I should stress that this observation is compatible with both the hydrogen hypothesis and the alternative model presented here.…”

Symbiogenesis, gradualism, and mitochondrial energy in eukaryote origin

“…That the host should turn out to be an archaeon is precisely the prediction made by some archaeal host models for the origin of mitochondria (7,41,55,56). But in the same breath one should say that concerns have recently come to the fore about the data underlying the phylogenies of the new archaeal lineages (59), in that one of the proteins in the archaeal metagenomic data set might be eukaryotic, not archaeal (59) and might be influencing the phylogenetic signal.…”

“…Clearly, ATP export from the mitochondrion also did come into play at some point in mitochondrial evolution (49,53,54). Yet from the physiological perspective, the proposition of H 2 -based syntrophy as the initial benefit linking mitochondrion and host (41) is of particular interest because of the widespread occurrence of H 2 -dependence among modern archaeal lineages that appear related to the host (55,56), the widespread existence of anaerobic syntrophy among modern prokaryotes (57) and especially because of the widespread occurrence of hydrogenosomes and H 2 -producing mitochondria among eukaryotic anaerobes (41, 58).…”

The role of archaea in the origin of eukaryotes

“…В работах В. Мартина и др. [57,58] представлена обновленная версия «водородной» гипотезы, в которой суммированы аргументы, позволя-ющие рассматривать родственную Lokiarchaeum линию в качестве эволюционного мостика от определенной филогенетической ветви архей к LECA. Такая предко-вая архея была анаэробной, H 2 -зависимой, содержа-щей эукариотподобные гены, а протомитохондриальным предшественником служила факультативно-анаэробная бактерия, ставшая эндосимбионтом уже на раннем эта-пе эукариогенеза.…”

“…В геноме Lokiarchaeum обнаружен полный набор генов, кодирующих ацетил-KoA-путь, обеспечивающий воз-можность метаногенеза (которого нет у Lokiarchaeum) и автотрофной СО 2 -фиксации. Высказано предположе-ние [58] о том, что у Lokiarchaeum, как и у протеоархеи Bathyarchaeum (выявленной в метагеноме экосистемы морского бентоса) [60], может функционировать аце-тогенный путь, связанный со сбраживанием пептидов/ аминокислот и сопряженный с комбинированным мета-болическим процессом [61]. Можно полагать, что в бли-жайшее время трудности в изучении клеток новых линий архей будут преодолены и процессы энергетического метаболизма Loki-подобных архей будут расшифрованы, что позволит понять биохимическую природу синтро-физма, обеспечившего формирование LECA.…”