Asgardarchaeota, commonly referred to as Asgard archaea, is a candidatus phylum-rank archaeal clade that includes the closest archaeal relatives of eukaryotes. Despite their prevalence in the scientific literature, the name Asgardarchaeota lacks nomenclatural validation. Here, we describe a novel high-quality metagenome-assembled genome (MAG), AB3033_2

Abstract Dozens of new antiviral systems have been recently characterized in bacteria. Some of these systems are present in eukaryotes and appear to have originated in prokaryotes, but little is known about these defense mechanisms in archaea. Here, we explore the diversity and distribution of defense systems in archaea and identify 2610 complete systems in Asgardarchaeota , a group of archaea related to eukaryotes. The Asgard defense systems comprise 89 unique systems, including argonaute, NLR, Mokosh, viperin, Lassamu, and CBASS. Asgard viperin and argonaute proteins have structural homology to eukaryotic proteins, and phylogenetic analyses suggest that eukaryotic viperin proteins were derived from Asgard viperins. We show that Asgard viperins display anti-phage activity when heterologously expressed in bacteria. Eukaryotic and bacterial argonaute proteins appear to have originated in Asgardarchaeota , and Asgard argonaute proteins have argonaute-PIWI domains, key components of eukaryotic RNA interference systems. Our results support that Asgardarchaeota played important roles in the origin of antiviral defense systems in eukaryotes.

Asgard archaea played a key role in the origin of the eukaryotic cell. While previous studies found that Asgard genomes encode diverse eukaryotic signature proteins (ESPs), representing homologs of proteins that play important roles in the complex organization of eukaryotic cells, the cellular characteristics and complexity of the Asgard archaeal ancestor of eukaryotes remain unclear. Here, we used de novo protein structure modeling and sensitive sequence similarity detection algorithms within an expanded Asgard archaeal genomic dataset to build a structural catalogue of the Asgard archaeal pangenome and identify 908 new isomorphic ESPs (iESPs), representing clusters of protein structures most similar to eukaryotic proteins and that likely underwent extensive sequence divergence. While most previously identified ESPs were involved in cellular processes and signaling, iESPs are enriched in information storage and processing functions, with several being potentially implicated in facilitating cellular complexity. By expanding the complement of eukaryotic proteins in Asgard archaea, this study indicates that the archaeal ancestor of eukaryotes was more complex than previously assumed.

BACKGROUND The increasing number of metagenomic and genomic sequences has dramatically improved our understanding of microbial diversity, yet our ability to infer metabolic capabilities in such datasets remains challenging. FINDINGS We describe the Multigenomic Entropy Based Score pipeline (MEBS), a software platform designed to evaluate, compare and infer complex metabolic pathways in large ‘omic’ datasets, including entire biogeochemical cycles. MEBS is open source and available through https://github.com/eead-csic-compbio/metagenome_Pfam_score . To demonstrate its use we modeled the sulfur cycle by exhaustively curating the molecular and ecological elements involved (compounds, genes, metabolic pathways and microbial taxa). This information was reduced to a collection of 112 characteristic Pfam protein domains and a list of complete-sequenced sulfur genomes. Using the mathematical framework of relative entropy (H’), we quantitatively measured the enrichment of these domains among sulfur genomes. The entropy of each domain was used to both: build up a final score that indicates whether a (meta)genomic sample contains the metabolic machinery of interest and to propose marker domains in metagenomic sequences such as DsrC (PF04358). MEBS was benchmarked with a dataset of 2,107 non-redundant microbial genomes from RefSeq and 935 metagenomes from MG-RAST. Its performance, reproducibility, and robustness were evaluated using several approaches, including random sampling, linear regression models, Receiver Operator Characteristic plots and the Area Under the Curve metric (AUC). Our results support the broad applicability of this algorithm to accurately classify (AUC=0.985) hard to culture genomes (e.g., Candidatus Desulforudis audaxviator), previously characterized ones and metagenomic environments such as hydrothermal vents, or deep-sea sediment. CONCLUSIONS Our benchmark indicates that an entropy-based score can capture the metabolic machinery of interest and be used to efficiently classify large genomic and metagenomic datasets, including uncultivated/unexplored taxa

Abstract Asgard Archaea are of great interest as the progenitors of Eukaryotes, but little is known about the mobile genetic elements (MGEs) that may shape their ongoing evolution. Here, we describe MGEs that replicate in Atabeyarchaeia, wetland Asgard archaea phylum represented by two complete genomes. We used soil depth-resolved population metagenomic datasets to track 18 MGEs for which genome structures were defined and precise chromosome integration sites could be identified for confident host linkage. Additionally, we identified a complete 20.67 kilobase pair (kbp) circular plasmid (the first reported for Asgard archaea) and two groups of viruses linked to Atabeyarchaeia, via CRISPR spacer targeting. Closely related 40 kbp viruses possess a hypervariable genomic region encoding combinations of specific genes for small cysteine-rich proteins structurally similar to restriction-homing endonucleases. One 10.9 kbp circularizable plasmid-like MGE integrates genomically into an Atabeyarchaeia chromosome and has a 2.5 kbp circularizable element integrated within it. The 10.9 kbp MGE encodes a highly expressed methylase with a sequence specificity matching an active methylation motif identified by PacBio sequencing. Restriction-modification of Atabeyarchaeia differs from that of another coexisting Asgard archaea Freyarchaeia which has few identified MGEs but possesses diverse defense mechanisms, including DISARM and Hachiman not found in Atabeyarchaeia. Overall, defense systems and methylation mechanisms of Asgard archaea likely modulate their interactions with MGEs, and integration/excision and copy number variation of MGEs in turn enable host genetic versatility.

Abstract In the ongoing debates about eukaryogenesis, the series of evolutionary events leading to the emergence of the eukaryotic cell from prokaryotic ancestors, members of the Asgard archaea play a key role as the closest archaeal relatives of eukaryotes. However, the nature and phylogenetic identity of the last common ancestor of Asgard archaea and eukaryotes remain unresolved. Here, we analyze distinct phylogenetic marker datasets of an expanded genomic sampling of Asgard archaea and evaluate competing evolutionary scenarios using state-of-the-art phylogenomic approaches. We find that eukaryotes are placed, with high confidence, as a well-nested clade within Asgard archaea, as a sister lineage to Hodarchaeales, a newly proposed order within Heimdallarchaeia. Using sophisticated gene tree/species tree reconciliation approaches, we show that, in analogy to the evolution of eukaryotic genomes, genome evolution in Asgard archaea involved significantly more gene duplication and fewer gene loss events compared to other archaea. Finally, we infer that the last common ancestor of Asgard archaea likely was a thermophilic chemolithotroph, and that the lineage from which eukaryotes evolved adapted to mesophilic conditions and acquired the genetic potential to support a heterotrophic lifestyle. Our work provides key insights into the prokaryote-to-eukaryote transition and the platform for the emergence of cellular complexity in eukaryotic cells.

Immune systems are integral to survival against viral infection. Recently, dozens of new anti-viral systems have been characterized in bacteria 1 . Some of these systems are present in eukaryotes and appear to have originated in prokaryotes. However, little is known about these defense mechanisms in archaea. Here, we identified 2,610 complete defense systems in archaea related to eukaryotes, the Asgardarchaeota 2 . These comprise 89 unique systems, including argonaute, NLR, mokosh, viperin, lassamu, and CBASS. Asgard viperin (asVip) and argonaute (asAgo) proteins are present at high frequencies compared to bacteria and have structural homology to eukaryotes. Phylogenetic analyses revealed asVips are ancestral eukaryotic proteins. Heterologous expression of asVips in bacteria, including the lineage closest to eukaryotes, Hodarchaeales, showed robust anti-phage activity. Eukaryotic-and bacterial-argonaute proteins appear to have originated in the Asgardarchaeota, and have ancient structural characteristics. AsAgos appear to have argonaute-PIWI domains which are key components of the RNA interference (RNAi) in eukaryotes. Characterization of hundreds of new defense systems in the Asgardarchaeota revealed these archaea played important roles in the innovation of viral protection in eukaryotes. Given their relationship to eukaryotes, these defense systems may have applications in biomedicine and biotechnology.

The roles of Asgard archaea in eukaryogenesis and marine biogeochemical cycles are well studied, yet their contributions in soil ecosystems are unknown. Of particular interest are Asgard archaeal contributions to methane cycling in wetland soils. To investigate this, we reconstructed two complete genomes for soil-associated Atabeyarchaeia, a new Asgard lineage, and the first complete genome of Freyarchaeia, and defined their metabolism in situ. Metatranscriptomics highlights high expression of [NiFe]-hydrogenases, pyruvate oxidation and carbon fixation via the Wood-Ljungdahl pathway genes. Also highly expressed are genes encoding enzymes for amino acid metabolism, anaerobic aldehyde oxidation, hydrogen peroxide detoxification and glycerol and carbohydrate breakdown to acetate and formate. Overall, soil-associated Asgard archaea are predicted to be non-methanogenic acetogens, likely impacting reservoirs of substrates for methane production in terrestrial ecosystems.

Abstract Asgard archaea were pivotal in the origin of complex cellular life. Hodarchaeales (Asgardarchaeota class Heimdallarchaeia) were recently shown to be the closest relatives of eukaryotes. However, limited sampling of these archaea constrains our understanding of their ecology and evolution 1–3 , including their anticipated role in eukaryogenesis. Here, we nearly double the number of Asgardarchaeota metagenome-assembled genomes (MAGs) to 869, including 136 new Heimdallarchaeia (49 Hodarchaeales) and several novel lineages. Examining global distribution revealed Hodarcheales are primarily found in coastal marine sediments. Detailed analysis of their metabolic capabilities revealed guilds of Heimdallarchaeia are distinct from other Asgardarchaeota. These archaea encode hallmarks of aerobic eukaryotes, including electron transport chain complexes (III and IV), biosynthesis of heme, and response to reactive oxygen species (ROS). The predicted structural architecture of Heimdallarchaeia membrane-bound hydrogenases includes additional Complex-I-like subunits potentially increasing the proton motive force and ATP synthesis. Heimdallarchaeia genomes encode CoxD, which regulates the electron transport chain (ETC) in eukaryotes. Thus, key hallmarks for aerobic respiration may have been present in the Asgard-eukaryotic ancestor. Moreover, we found that Heimdallarchaeia is present in a variety of oxic marine environments. This expanded diversity reveals these Archaea likely conferred energetic advantages during early stages of eukaryogenesis, fueling cellular complexity.

Dimethylsulfoniopropionate (DMSP), an osmolyte produced by oceanic phytoplankton, is predominantly degraded by bacteria belonging to the Roseobacter lineage and other marine Alphaproteobacteria via DMSP-dependent demethylase A protein (DmdA). To date, the evolutionary history of DmdA gene family is unclear. Some studies indicate a common ancestry between DmdA and GcvT gene families and a co-evolution between Roseobacter and the DMSP-producing-phytoplankton around 250 million years ago (Mya). In this work, we analyzed the evolution of DmdA under three possible evolutionary scenarios: 1) a recent common ancestor of DmdA and GcvT, 2) a coevolution between Roseobacter and the DMSP-producing-phytoplankton, and 3) pre-adapted enzymes to DMSP prior to Roseobacter origin. Our analyses indicate that DmdA is a new gene family originated from GcvT genes by duplication and functional divergence driven by positive selection before a coevolution between Roseobacter and phytoplankton. Our data suggest that Roseobacter acquired dmdA by horizontal gene transfer prior to exposition to an environment with higher DMSP. Here, we propose that the ancestor that carried the DMSP demethylation pathway genes evolved in the Archean, and was exposed to a higher concentration of DMSP in a sulfur rich atmosphere and anoxic ocean, compared to recent Roseobacter ecoparalogs (copies performing the same function under different conditions), which should be adapted to lower concentrations of DMSP.