Nature综述：古菌的细胞生物学

过去十年的研究揭示了古菌在自然界的多样性和无所不在性，越来越多的研究强调了它们在生态学、生物技术甚至人类健康方面的重要性。大量的的谱系已经被发现，扩大了古菌系统发育的广度，并透露了它们在真核生物进化起源中的核心作用。这些发现，加上在极端环境下培养和实时成像古菌细胞的进展，为更好地理解古菌的生物学奠定了基础。本文就古菌细胞的形态、内部组织和表面结构特征以及膜系统重构、细胞生长和分裂等方面进行了综述。本文还强调了目前所面临的一些技术挑战，并讨论了新的和改进的技术将如何帮助解决许多悬而未决的关键问题。

引言

古菌（Archaea）是单细胞的原核微生物，乍一看与细菌类似，表现为没有核膜、复杂内膜系统、环状基因组以及基因缺乏剪接体内含子。然而，古菌复制和表达遗传信息的机制——即DNA复制、转录和翻译，在进化上与真核生物关系更密切，而不是细菌。与此同时，古菌有一组共同的细胞特征，将它们与真核生物和细菌区分开来。这些特征包括独特的细胞膜（膜脂分子由类异戊二烯链通过醚键与甘油-1-磷酸基相连）、独特的运动器官古菌鞭毛（archaellum）以及独特的代谢类型，如产甲烷。

最初古菌被分离自极端环境（例如高温、低pH和高盐），这导致许多人认为它们是神奇的、古怪的。然而经过几年的研究，古菌在大范围环境中均被发现。其中在海水和沉积物，古菌在氮循环和碳循环起着关键的作用。此外在人和动物的肠道也发现大量古菌，可能涉及人类健康与疾病。非培养技术（如宏基因组分箱）在环境样品中识别了大量的古菌，使得古菌的系统发育树快速膨胀，凸显了古菌巨大的多样性（图1）。例如，非培养方法使研究者能够识别出来自不同环境的一组亚微米大小的古菌（统称为DPANN超门），其拥有精简的基因组，专性的附生于不同古菌宿主。

环境宏基因组采样也导致了阿斯加德（Asgard）古菌的发现，该枝系是真核生物最近的原核亲戚。引人注目的是，许多Asgard古菌的基因组拥有真核同源的编码基因，这些基因涉及细胞形状控制和内膜形成等活动，这在其他原核生物从未发现过。这些基因的出现支持内共生假说，也即Asgard古菌的成员与alpha变形菌的共生导致了真核生物的起源。最近Asgard古菌中第一个被分离培养的成员P. syntrophicum强化了这一观点。电镜图片显示，这些分离的细胞拥有长枝状的突起，可能是肌动蛋白同源物存在的结果。这些附属物被观察到在共培养中与其他细胞结合，这意味着它们允许细胞与互养伙伴在物理上联系。这些数据清楚地表明，许多曾经被认为代表真核细胞生物学独特特征的分子机器都起源于古生菌，有助于弥合真核生物和原核生物之间的鸿沟。

最近，大量的序列数据揭示了古菌在生命树中的关键位置。古菌处于重大进化事件的十字路口，它不仅对理解真核生物的起源至关重要，而且对我们理解地球上细胞生命进化的早期事件至关重要，尤其是所有生命的最后一个共同祖先的性质。因此，古菌细胞生物学正在经历一场复兴，有望改变这些领域。在这篇综述中，我们概述了目前对古菌细胞生物学的认识。我们讨论了涉及细胞配置、形状、生长和分裂以及古菌细胞表面的关键过程。我们还回顾了研究古菌时面临的主要技术挑战（Box 1、2）和一些悬而未决的问题。

细胞配置、形状和大小

尽管大多数古菌拥有简单的细胞配置，古菌细胞的形状和大小各不相同，膜结构特存在差异（图1）。许多古菌的形态与普通细菌类似，例如球状和杆状。一些古菌细胞则有惊人的形态，形成平的方块和三角形，这不同于几乎所有其他生物形态（图1）。这些细胞形状是通过细胞骨架细丝和糖蛋白外壳（被称为S-layer）对局部生长和分裂轴的精确控制的结果。然而，由于大多数古菌缺乏肽聚糖，这些细胞对它们所处的机械环境也很敏感，其形状容易被外力改变。

图1 古菌细胞的形态和大小

有些古菌，如Sulfolobales，具有不规则的球状细胞。绝大多数的热原体目和DPANN也是如此（图2）。其他古菌具有明确但简单的形状，例如大部分的奇古菌细胞倾向于短杆或球状形态。超嗜热的热变形体目古菌可编码特定的古菌肌动蛋白（crenactins），往往具有细棒状细胞，也有其他研究发现分枝和棒状的形态。在泉古菌门中，Ignicoccus属的成员在结构上是最引人注目的，没有S-layer、假肽聚糖或多糖糖被，而是具有双层膜。这些物种的DNA和细胞质包含在一个内腔室中，从这个腔室中出现的膜“管”以一种尚不明确的方式与覆盖在外面的膜连接。值得注意的是，由脂类和蛋白质组成的外膜据报道是通过质子动力产生ATP的地方，这意味着这些细胞有能力将不同的细胞活动划分到不同的膜区。了解这种结构是如何生成和维护的将是未来研究的一个迷人领域。Ignicoccus hospitalis可以与属于DPANN的Nanoarchaeum equitans互作，并且由于细胞壁的缺乏可以形成细胞间的直接连接。此外，由于N. equitans缺乏膜脂合成基因，可能通过与宿主交换脂质获得膜脂。

嗜盐古菌门是形态易变者。例如Haloferax volcanii、Haloferax gibbonsii LR2-5和Haloarcula japonica能够在标准培养条件下呈现各种形状，从杆状细胞转变为扁平盘状细胞，反之亦然。此外，生长条件的变化扩大了这些形状的多样性，从极其细长的细胞到非常不对称的细胞。其中一些变化可能是细胞形状调节因子表达的特定改变的结果，例如细胞骨架蛋白。或者，细胞形状的极端变化可能反映了这些嗜盐古菌的机械敏感性，因为它们的形状变化会因轻微的压力而加剧。

图2 不同古菌细胞生物学的关键元素

不幸的是，我们对其他主要古菌类群的形态学知识仍然贫乏。迄今为止，初古菌门的唯一代表是长丝状未培养的“Candidatus Korarchaeum cryptofilum”。考虑到“K. cryptofilum”的基因组也可编码特定的古菌肌动蛋白，肌动蛋白丝可能有助于产生长杆状细胞。更惊人的是，P. syntrophicum是目前在共培养中分离到的唯一的Asgard超门成员，其细胞小而无定形，可以有长长的分枝突起。

古菌细胞大小通常在0.7 μm到4 μm之间（指棒的长度，图1），这在大多数细菌的细胞大小范围内。虽然有些古菌（如Methanobacterium thermoautotrophicum和“K. cryptofilum”）可形成长达100 μm的丝状结构，但丝状结构中的单个细胞长度限制在2-3 μm。另一个极端，DPANN古菌则可以小到300纳米。这些古菌是已知最小的生物之一。

尽管古菌的细胞形状和大小各不相同，但其形态在多大程度上取决于细胞膜、表面结构和/或细胞骨架体系仍有待了解，这凸显了对各种古菌进行更详细的细胞生物学研究的必要性。同样，形状对细胞生长和分裂等核心过程的影响仍然缺乏研究。然而，就像在细菌中一样，细胞的形状在使细胞在特定环境中生存方面发挥着关键的功能作用。

细胞包被

表层。大多数古菌和许多细菌都有一个由蛋白质组成、表面结构多样的外壳即S-layer（图2）。古菌的S-layer为一种或两种不同蛋白质亚基构成的亚晶状格栅，这些亚基包含一个大的形成晶格的部分和一个参与将S-layer锚定在细胞上的小段。这些锚定亚基要么整合到细胞质膜中，要么在某些物种中整合到多糖层中，如假肽聚糖和甲烷菌软骨素（图2和图3a）。细胞膜和S-layer之间的空间类似于革兰氏阴性菌的周质（periplasm）。迄今为止，已被研究的古菌S-layer亚基被N-连接的糖基化修饰，也有一些为O-连接的糖基。古菌S-layer可能的功能包括维持细胞形状、提供机械稳定性、分子筛。也有人认为，它可以保护古菌免受病毒侵染，也可以提供表面黏附位点和膜蛋白锚定支架。

图3 古菌细胞包被

关于古菌S-layer的组装仍有很多问题未知，例如S-layer亚基嵌入细胞膜的位置。Pyrococcus furiosus的S-layer染色（图4g）和H. volcanii的S-layer蛋白定位表明它们是在细胞中间合成的（图4a）。此外，最近第一个完整的、原位H. volcanii的S-layer原子结构显示了局部S-layer结构是如何根据细胞包被曲率的变化而变化的。然而，还需要更多的工作来确定S-layer插入和组装与古菌细胞生长和分裂的耦合机制。

表层附属物。古菌有多样的表层附属物（图2和图3b）。物种特异的附属物有插管（cannulae，连接Pyrodictium细胞的中空管）、hami（在Altiarchaeum hamiconexum中可以形成铁丝网状结构帮助锚定细胞）。相比之下，一些表层附属物是很多古菌共有的，例如type IV菌毛（pili），用于细胞-细胞、细胞-表面之间的黏附、生物膜形成和病毒锚定，它的组装与细菌类似。

古菌鞭毛（archaellum）在所有可以运动的古菌中出现，它在进化上与细菌鞭毛无关，组装方式与type IV菌毛类似。通过将鞭毛马达锚定在S-layer，古菌能够将依赖于ATP的运动转化为推动细胞前进所需的扭矩。负责锚定鞭毛在S-layer的蛋白ArlG和ArlF似乎是由古菌鞭毛细丝基因arlB通过基因复制进化而来。

细胞表面的调节。与细菌类似，大多数古生菌被认为使用Sec系统来分泌大部分蛋白质，少量含有辅助因子的蛋白质通过双精氨酸易位（TAT）途径分泌，可分泌大小可达200 kDa的折叠蛋白。极端嗜盐古菌例外，它们大多倾向于使用TAT途径来转移处于折叠状态的蛋白质，可能是为了避免在高盐浓度存在时蛋白质沉淀。分泌蛋白作为含有信号肽的前蛋白产生。古菌中发现了一种信号肽酶I，它处理Sec和TAT途径分泌的蛋白质。然而，另一种古信号肽酶II（在细菌中可以为蛋白质添加脂质部分）尚未被发现，尽管一些细胞外蛋白质已被证明其氨基端已被脂质修饰。同样，尽管古菌中存在一种信号识别蛋白依赖的共翻译分泌系统，但尚不清楚古菌是否具有SecA的同系物，SecA是一种ATP酶，在细菌中发挥推动翻译后分泌的基本功能。

古菌与细菌共有的分泌系统中只有少数被深入研究过。大部分研究都集中在IV型菌毛的装配机械和同源的古菌体装配系统。加工前菌毛蛋白和前古菌鞭毛蛋白所需的机械部件与存在于细菌中的系统同源。然而，古菌缺乏在革兰氏阴性菌中将蛋白质穿过肽聚糖层和外膜的亚基的同源物。编码古菌IV型菌毛组装结构的基因通常在编码S-layer蛋白质的基因附近，这表明S-layer和菌毛组装之间有重要的相互作用。

细菌II型分泌系统与IV型菌毛装配结构同源，用于分泌一系列不同的毒素和酶。在Sulfolobus solfataricus中，与II型分泌系统同源的双配体（bindosome）参与糖蛋白的组装，在通过高亲和力ABC转运体摄取糖过程发挥作用。IV型分泌系统对蛋白质和DNA的跨膜运输很重要。虽然在古菌结合质粒上已经发现了同源蛋白，但它们的功能尚未被鉴定。有趣的是，在Sulfolobus中发现了一个独特的DNA输入源，它参与了细胞间DNA交换以帮助修复DNA双链断裂。

几乎所有分泌的古菌蛋白都被N-和/或O-连接的糖基化修饰，这包括S-layer蛋白、基质绑定蛋白、菌毛蛋白和鞭毛蛋白。尽管只有一小部分古菌蛋白通过添加糖到天冬氨酸残基（N-连接）的修饰被详细研究，这些为数不多的例子已经揭示了糖的大小、组成和分支程度的巨大差异（图3c）。尽管有这些差异，它们都使用AglB低聚糖转移酶，该蛋白在结构和功能上与SST3同源（SST3是真核寡糖转移酶复合体的核心酶，负责将糖部分转移到目标蛋白上）。Asgard古菌基因组也被证明编码了真核低聚糖转移酶复合物的其他成分的同源物。尽管古菌中糖基化的功能可能是不同的，但这些修饰被认为可以增强细胞外蛋白质的稳定性，并有助于它们的易位和折叠。此外，它们已被证明在嗜盐古菌的运动、交配和特异性细胞识别很重要。

细胞内部结构

古菌很可能像细菌一样，拥有独特的非膜约束的分隔室，在那里特定的细胞活动被集中。尽管人们对这种内部结构知之甚少，但其中一些被认为是分子凝聚物。最近的工作指出了核糖体分布的不对称性，这可能表明古菌中存在蛋白质合成或核糖体组装的专门位点。此外，尽管对基因组的位置及其动力学知之甚少，但在Sulfolobus和Nitrosopumilus细胞的大部分细胞周期中，基因组已被证明仅局限于特定位置的细胞质（图4b）。

图4 不同古菌细胞荧光蛋白图像

如前所述，泉古菌I. hospitalis与Planctomycetales相似，因为它拥有复杂的膜结构，包含互相连接的内膜和外膜。这种膜的复杂性在古菌中有多普遍还有待进一步研究。此外，负责这种结构的基因还没有被确定。然而，值得注意的是，许多古菌具有ESCRT-III和Vps4机制的同系物，这些机制可重塑膜，例如产生细胞外囊泡。在Asgard古菌中，这一机制包括泛素同源物和ESCRT-I和ESCRT-III复合体蛋白。这些复合体通常位于基因组中，可能在膜蛋白靶向囊泡过程中起作用。此外，TACK和Asgard古菌的两个成员都具有在真核生物的膜运输中起作用的其他蛋白质的同源物，如小GTP酶和Sec23-24。这使得许多人认为，Asgard古菌细胞可能拥有复杂的细胞膜运输途径。尽管这仍是一种令人兴奋的可能性，但支撑真核生物内膜系统动态结构的快速膜重构也依赖于这些蛋白质（如动力蛋白，它们很可能遗传自细菌），以及通过相分离事件来辅助膜重构的细菌型脂膜。因此，尚不清楚具有复杂膜系统的古菌是如何调节其内部结构的，以及是否有任何Asgard成员能够进行更复杂的动态膜运输（类似于在真核生物中看到的那样）。

细胞基因组结构

像细菌一样，古菌倾向于拥有小的环状DNA基因组，其中基因可被划分成功能组（也即基因簇），功能组的基因转录通常是一致的。然而，它们以截然不同的方式复制和组织自己的基因组。一些古菌，包括广古菌Haloferax的物种，每个细胞都有多个类核染色体副本，而在其他生物中，如泉古菌Sulfolobales和奇古菌Nitrosopumilus，基因组是单拷贝的，细胞周期调节对其生存至关重要。

大多数细菌基因组DNA只有一个复制起点。而在Sulfolobales中，基因组DNA有多个复制起点，在G1的每个细胞分裂周期，所有起点几乎同步复制一次，这可能是由于真核生物AAA ATP酶Cdc6的同源物的作用。重要的是，这些复制起点直到下一个周期才会再次激活，这一过程似乎需要蛋白质水解和/或细胞分裂。有趣的是，大多数复制起点都有一个侧翼的Cdc6同源物及其起点识别位点，表明这些AAA ATP酶可能在局部起作用，诱导局部DNA解旋来启动DNA复制。此外，使用特定染料对DNA进行成像，发现基因组似乎位于细胞质中离散的位点，而不是随机分布，这意味着它是有组织的。Hi-C实验也表明了这一点，该实验表明，Sulfolobus基因组具有高阶结构，是由Smc凝缩蛋白/连接蛋白家族成员的作用产生。尽管凝缩蛋白功能缺失的表型尚未被报道，但已有研究表明，凝缩蛋白有助于转录和基因组进化的全局调控。

DNA结合蛋白，如Sulfolobus属中的Alba、Cren7和Sul7，或许多古菌中存在的组蛋白同源物，包括一些Asgard古菌，也可能影响染色体的排列。尽管在细胞分裂时可以观察到DNA结构的变化，但对古菌DNA分离的机制知之甚少。分离蛋白如SegA和SegB可能有助于改变DNA的排列，以促进古菌染色体的分离。

古菌细胞骨架

古菌具有多种细胞骨架纤维。这些与在细菌和真核生物中发现的蛋白质属于同一类，包括肌动蛋白、微管蛋白和ESCRT-III的同源物（图2）。有理由认为，真核生物中存在的细胞骨架机制是在真核发生过程中从古菌获得的，因为古菌同源物比它们的细菌对应物更类似于真核生物蛋白质。例如，Asgard古菌和真核生物的肌动蛋白在氨基酸水平上高度相似。古菌还具有细菌型细胞骨架家族的同源物，如属于ESCRT-III超家族的微管蛋白同源物FtsZ、肌动蛋白同源物MreB和PspA。因此，迫切需要确定古菌中这些丝状体在体外和体内的动态行为，以及哪些丝状体控制细胞形状，哪些丝状体调节伴随着分裂的细胞形状的变化，以及它们如何与上面的S-layer相互作用。

古菌基因组中肌动蛋白家族细胞骨架蛋白的存在似乎与细长的细胞形状有关，就像在细菌中一样。因此，正如前面强调的，杆状古菌细胞要么编码肌动蛋白（肌动蛋白的同源物首次在泉古菌中发现，图4e），要么编码MreB同源物（图2），暗示这些蛋白质在整个生命领域的细胞形状调节中具有保守的功能。尽管在Pyrobaculum calidifontis中的免疫定位实验表明肌动蛋白可能形成一个横跨细胞的螺旋细胞骨架网络，但这是通过与细菌中的螺旋MreB丝的类比而推断出来的，而后者后来被证明是显微镜技术的产物。因此，古菌中肌动蛋白丝的胞内结构仍有待探索。x射线晶体学和低温电子显微镜研究表明，它与真核肌动蛋白在结构上非常相似。此外，一些报告表明，这些肌动蛋白丝的行为可能由邻近基因编码的蛋白质调节，其方式与已知的真核肌动蛋白-丝动力学调节因子相似。这些观察结果被用来提出古菌肌动蛋白丝可能负责杆状细胞的形状和分枝细胞形态的产生。类似地，Asgard古菌P. syntrophicum基因组存在肌动蛋白同源物可能解释它们细胞形成长凸起的能力，尽管目前为止还没有在它们细胞观察到肌动蛋白丝的存在。有趣的是，P. syntrophicum和其他Asgard古菌基因组拥有编码其他假定的肌动蛋白调节因子的基因，包括profilins和gelsolins，这些蛋白能够在体外显著地改变真核肌动蛋白的动态行为，从而支持了这些古菌可能具有一个复杂的肌动蛋白丝调节系统的观点。

古菌基因组中MreB/肌动蛋白的存在与细胞形状之间的相关性似乎令人信服，但这些细丝决定古菌细胞形状的机制尚不清楚。在细菌中，MreB形成弯曲的细丝，缺乏扭曲，这被认为是引导肽聚糖在细胞周围合成，使细菌形成杆状结构。MreB同源物可能在杆状古菌中发挥类似的作用，这些古菌的细胞壁由假肽聚糖构成，假肽聚糖是细菌肽聚糖的类似物。因此，这一知识对解释肌动蛋白同源物如何塑造包裹在缺乏假肽聚糖的可变形S-layer中的古菌几乎没有帮助。在典型的具有固定拉长形状的真核细胞中，如裂变酵母，局部积累的肌动蛋白细丝通过帮助定义细胞壁合成/去除区域来指导细胞形状。相比之下，变形虫和动物细胞中的肌动蛋白丝与肌球蛋白马达共同作用，使细胞具有灵活的形态，但在原核生物中尚未发现肌球蛋白马达。因此，需要进行更多的研究来确定古菌肌动蛋白和MreB同系物是如何调节S-layer包裹的细胞的形状。

图5 古菌细胞的分裂机制

许多古菌也编码CetZ，一种微管蛋白的同源物。CetZ位于H. volcanii细胞的外围，在那里它似乎在从圆盘状到杆状的转变过程中起着重要作用，这种转变深刻地改变了它们的游动能力。尽管其他古菌具有CetZ蛋白，包括方块形古菌Haloquadratum walsbyi，球形超嗜热P. furiosus和Thermococcus gammatolerans（图2），但这些蛋白在调节细胞形状中的作用仍有待探索。此外，最近分离的奇古菌Nitrosoarchaeum koreensis MY1和仍然未培养的Asgard古菌Odinarchaea编码的蛋白质序列与真核细胞中的α-和β-微管蛋白非常相似。尽管它们的作用一直受到猜测，但在这些细胞中还没有观察到长的胞内管状结构，而且生物化学研究还没有确定具有平行原丝的微管，就像在真核生物和细菌中发现的微管一样。

细胞分裂

细胞骨架丝在调节细胞分裂过程中也起着重要作用。在所有细胞中，分裂需要细胞空间的相对快速重构、细胞中部收缩和膜分裂。这主要是通过与古菌胞质分裂有关的两个主要蛋白质家族来实现的。第一个蛋白质家族是微管蛋白的同源物FtsZ，在细菌中起着引导细胞壁组装驱动分裂的作用。第二种是ESCRT-III家族蛋白，在动物细胞分裂时膜的重构以诱导细胞脱落方面具有类似的功能。

基于FtsZ的细胞分裂。除了泉古菌，大多数古菌都具有细菌细胞分裂蛋白FtsZ的同源物（图2）。它在细胞质分裂中的作用已经通过在嗜盐古菌H. volcanii中基于GFP的定位研究证明，嗜盐古菌H. volcanii是最完善的广古菌细胞生物学模型。这里FtsZ在细胞中间形成一个环，当细胞进行胞质分裂时收缩（图5）。有趣的是，大多数古菌拥有两个FtsZ（命名为FtsZ1和FtsZ2）拷贝，这被认为有助于相对柔软的缺乏肽聚糖的H. volcanii细胞首先形成分裂环，然后分裂（类似于下一节提到的古菌ESCRT-III系统的作用）。在H. volcanii中，FtsZ1和FtsZ2在细胞中部形成z环（图4h,i），这两种蛋白质的缺失都会导致严重的胞质分裂缺陷。虽然这两种蛋白质之间的确切相互作用尚未阐明，但FtsZ1似乎参与了z环的搭建，而FtsZ2似乎是启动收缩的必要条件。

最近，产甲烷古菌Methanobrevibacter smithii已被开发为一个新的实验模型，用于研究基于FtsZ的细胞分裂。连同它的近亲，M. smithii有两个独特特征：它只有一个FtsZ（FtsZ1）拷贝，并显示由假肽聚糖构成的细胞壁，使其包被构成同时具有古菌和细菌样特征的进化嵌合体。免疫标记的FtsZ1显示其在这个卵球状古菌的分裂平面上形成一个不连续的环。此外，在细胞完全收缩之前，在未来分裂位点的潜在子细胞中出现了两个新的z环，类似于卵球状细菌Streptococcus pneumoniae。

最近的数据为古菌中基于FtsZ的细胞分裂机制提供了进一步的信息，首次显示SepF的同源物将z环固定在膜上，就像在许多细菌中一样（图4f）。然而，FtsZ复合物中的SepF的结构与细菌中有显著差异，这可能反映了两个不同原核域细胞包膜的早期进化差异和/或SepF/FtsZ功能的差异，从而使如此不同类型的细胞壁变形。奇怪的是，与细菌不同的是，在H. volcanii中发现的MinD同源物中没有一个与FtsZ定位到细胞中间有关。

基于ESCRT-III的细胞分裂。Sulfolobales是泉古菌中研究得最透彻的成员。在S. acidocaldarius中，ESCRT-III的同源物和相关的AAA ATP酶Vps4已被证明驱动细胞分裂。首先，古菌特异性蛋白CdvA被认为定义了细胞分裂准备的中间区。在这里，CdvA启动了ESCRT-III同系物CdvB的非收缩环的形成，这形成了一个模板，用于随后的两个额外的ESCRT-III同系物CdvB1和CdvB2，它们在分裂期间以复合ESCRT-III环的形式一起发挥作用——类似于真核细胞中由ESCRT-III蛋白形成的环。然后，可能通过Vps4同源物CdvC的作用，将CdvB从复合环中移除，然后被蛋白酶体降解，使复合聚合物CdvB1和CdvB2环收缩。当与依赖于Vps4的骨架丝分解结合时（其作用是清除细胞动力学桥上的聚合物并提供膜重构所需的能量），这种逐步的组装和拆卸过程被认为是可以驱动分裂的（图4d和图5）。因此，ESCRT-III蛋白的截短突变体不能与Vps4相互作用，也不能被拆卸，据报道在后期可以阻止分裂。虽然还不清楚为什么这个系统会以这种方式运作，但一种可能性是，这个多步骤的过程使缺乏刚性壁的Sulfolobus细胞在环收缩之前组装成一个形状良好的非收缩环。值得注意的是，ESCRT机制也参与了Sulfolobales中的囊泡形成和病毒出芽。因此，在真核生物中，古菌ESCRT-III蛋白能够在细胞的不同生物过程中催化膜重构。

识别参与细胞分裂的其余分子是未来几年的主要目标，因为古菌中没有其他细菌分裂体和延长体的同系物（包括那些含有假肽聚糖细胞壁的)。有趣的是，M. smithii和它的有细胞壁的亲戚有一个真正的MreB的同系物，其作用还有待研究。

展望

本文综述了古菌细胞生物学的研究现状，并讨论了古菌细胞生物学的形态学、细胞结构、细胞包被和细胞内部结构。这明确了古菌中存在的基本细胞过程的巨大多样性，并暗示了有待发掘的生物学新事物。正如细菌所见，古菌的细胞形状多种多样，但尚不清楚古菌细胞形态在多大程度上取决于细胞膜、表面结构和/或细胞骨架机制。同样，人们对形状对细胞生长和分裂的影响知之甚少。未来对不同的和新发现的古菌的更详细的细胞生物学研究将有助于回答这些问题。

另一个主要目标是描述高度多样化的古菌细胞分裂机制。这些研究有望阐明古菌细胞生物学的基本方面，如细胞生长、分裂以及古菌与其环境之间的相互作用。实现这些研究目标需要克服研究古菌时所面临的技术挑战。高分辨率荧光热显微技术的不断进步和耐热荧光蛋白的开发将有助于研究嗜热古菌动态细胞过程的突出问题。此外，开发更多古菌代表物种的培养条件和遗传系统，特别是Asgard古菌成员，将大大有助于我们理解所有古菌基本细胞过程的多样性。这将反过来为了解所有生命的最后一个通用共同祖先的特征和导致真核发生的过程提供关键的见解。

END