Actin is a major component of the eukaryotic cytoskeleton. Many related actin homologues can be found in eukaryotes1, some of them being present in most or all eukaryotic lineages. The gene repertoire of the Last Eukaryotic Common Ancestor (LECA) therefore would have harbored both actin and various actin-related proteins (ARPs). A current hypothesis is that the different ARPs originated by gene duplication in the proto-eukaryotic lineage from an actin gene that was inherited from Asgard archaea. Here, we report the first detection of actin-related genes in viruses (viractins), encoded by 19 genomes belonging to the Imitervirales, a viral order encompassing the giant Mimiviridae. Most viractins were closely related to the actin, contrasting with actin-related genes of Asgard archaea and Bathyarchaea (a newly discovered clade). Our phylogenetic analysis suggests viractins could have been acquired from proto-eukaryotes and possibly gave rise to the conventional eukaryotic actin after being reintroduced into the pre-LECA eukaryotic lineage.

Abstract DNA viruses have a major influence on the ecology and evolution of cellular organisms, but their overall diversity and evolutionary trajectories remain elusive. Here, we performed a phylogeny-guided genome-resolved metagenomic survey of the sunlit oceans and discovered plankton-infecting relatives of herpesviruses that form a putative new phylum dubbed ‘ Mirusviricota ’. The virion morphogenesis module of this large monophyletic clade is typical of viruses from the realm Duplodnaviria , with the major capsid protein fold being a likely structural intermediate between the capsid proteins of Caudoviricetes (tailed phages) and Herpesvirales (animal-infecting viruses). Yet, a substantial fraction of ‘ Mirusviricota’ genes, including hallmark transcription machinery genes missing in herpesviruses, are closely related homologs of large and giant eukaryotic DNA viruses from another viral realm. The remarkable chimeric attributes of ‘ Mirusviricota ’ provide missing links in the evolution of both herpesviruses and giant viruses. Furthermore, mirusviruses are widespread and transcriptionally active from pole to pole, encoding complex functional traits used during the infection of microbial eukaryotes. The ‘ Mirusviricota ’ prevalence, functional activity, diversification, and atypical evolutionary traits point to a lasting role of mirusviruses in the ecology of marine ecosystems that might have not only predated but also contributed to the emergence of herpesviruses and giant viruses.

ABSTRACT Membrane-bound extracellular vesicles (EVs), secreted by cells from all three domains of life, transport various molecules and act as agents of intercellular communication in diverse environments. Here we demonstrate that EVs produced by a hyperthermophilic and acidophilic archaeon Sulfolobus islandicus carry not only diverse proteins but also chromosomal and plasmid DNA, and can transfer this DNA to recipient cells. Furthermore, we show that EVs can support the heterotrophic growth of Sulfolobus in minimal medium, implicating EVs in carbon and nitrogen fluxes in extreme environments. Finally, our results suggest that, similar to eukaryotes, production of EVs in S. islandicus depends on the archaeal ESCRT machinery. Using synchronized S. islandicus cultures, we show that EV production is linked to cell division and appears to be triggered by increased expression of ESCRT proteins during this cell cycle phase. Using a CRISPR-based knockdown system, we show that archaeal ESCRT-III and AAA+ ATPase Vps4 are required for EV production, whereas archaea-specific component CdvA appears to be dispensable. Collectively, our results suggest that ESCRT-mediated EV biogenesis has deep evolutionary roots, likely predating the divergence of eukaryotes and archaea, and that EVs play an important role in horizontal gene transfer and nutrient cycling in extreme environments.

Abstract Type II DNA topoisomerases of the family A (Topo IIA) are present in all bacteria (DNA gyrase) and eukaryotes. In eukaryotes, they play a major role in transcription, DNA replication, chromosome segregation and modulation of chromosome architecture. The origin of eukaryotic Topo IIA remains mysterious since they are very divergent from their bacterial homologues and have no orthologues in Archaea. Interestingly, eukaryotic Topo IIA have close homologues in viruses of the phylum Nucleocytoviricota , an expansive assemblage of large and giant viruses formerly known as the nucleocytoplasmic large DNA viruses (NCLDV). Topo IIA are also encoded by some bacterioviruses of the class Caudoviricetes (tailed bacteriophages). To elucidate the origin of the eukaryotic Topo IIA, we performed in-depth phylogenetic analyses combining viral and cellular Topo IIA homologs. Topo IIA encoded by bacteria and eukaryotes form two monophyletic groups nested within Topo IIA encoded by Caudoviricetes and Nucleocytoviricota , respectively. Importantly, Nucleocytoviricota remained well separated from eukaryotes after removing both bacteria and Caudoviricetes from the dataset, indicating that the separation of Nucleocytoviricota and eukaryotes is probably not due to long branch attraction artefact. The topology of our tree suggests that the eukaryotic Topo IIA was probably acquired from an ancestral member of the Nucleocytoviricota of the class Megaviricetes , before the emergence of the last eukaryotic common ancestor (LECA). This result further highlights a key role of these viruses in eukaryogenesis and suggests that early proto-eukaryotes used a Topo IIB instead of a Topo IIA for solving their DNA topological problems.

Viruses modulate ecosystems by directly altering host metabolisms through auxiliary metabolic genes, which are obtained through random sampling of the host genome and rise to fixation, presumably through improved viral fitness by alleviating key metabolic bottlenecks during infection. Conspicuously, however, viral genomes are not known to encode the core components of translation machinery, such as ribosomal proteins (RPs), though genes for RPs S1 and S21 have been detected in viral metagenomes. Here we augment this little-noticed observation using available reference genomes, global-scale viral metagenomic datasets, and functional assays for select proteins. We identify 15 different RPs across diverse viral genomes arising from cultivated viral isolates (5 RPs in 16 genomes) and metagenome-assembled viruses (14 RPs in 1,403 uncultivated virus genomes). Among these, S21 and L7/L12 are the most common, and functional assays show that both proteins are incorporated into 70S ribosomes when expressed in Escherichia coli, indicating that they might modulate protein translation during infection. Ecological distributions of virus-encoded RPs suggest ecosystem-specific virus adaptations, whereby aquatic viruses appear to selectively incorporate genes for S21, L31 and L33, whereas S6, S9, S15 and S30AE genes are enriched among viruses infecting animal-associated bacteria. Finally, the fact that viruses tend to encode dynamic RPs, suggests that the viral proteins likely replace cellular versions in host ribosomes, likely enabling takeover of host translational machinery.

Double-stranded DNA viruses of the PRD1-adenovirus lineage are characterized by homologous major capsid proteins containing one or two β-barrel domains known as the jelly roll folds. Most of them also share homologous packaging ATPases of the FtsK/HerA superfamily P-loop ATPases. Remarkably, members of this lineage infect hosts from the three domains of life, suggesting that viruses from this lineage could be very ancient and share a common ancestor. Here we analyzed the evolutionary history of these cosmopolitan viruses by inferring phylogenies based on single or concatenated genes. These viruses can be divided into two supergroups infecting either eukaryotes or prokaryotes. The latter can be further divided into two groups of bacterioviruses and one group of archaeoviruses. This viral tree is thus incongruent with the cellular tree of life in which Archaea are closer to Eukarya and more divergent from Bacteria. We discuss various evolutionary scenarios that could explain this paradox.

Reverse gyrase (RG) is the only protein found ubiquitously in hyperthermophilic organisms, but absent from mesophiles. As such, its simple presence or absence allows us to deduce information about the optimal growth temperature of long-extinct organisms, even as far as the last universal common ancestor of extant life (LUCA). The growth environment and gene content of the LUCA has long been a source of debate in which RG often features. In an attempt to settle this debate, we carried out an exhaustive search for RG proteins, generating the largest RG dataset to date. Comprising 376 sequences, our dataset allows for phylogenetic reconstructions of RG with unprecedented size and detail. These RG phylogenies are strikingly different from those of known LUCA-encoded proteins, even when using the same set of species. Unlike LUCA-encoded proteins, RG does not form monophyletic archaeal and bacterial clades, suggesting RG emergence after the formation of these domains, and/or significant horizontal gene transfer. Even more strikingly, the branch lengths separating archaeal and bacterial groups are very short, inconsistent with the tempo of evolution from the time of the LUCA. Despite this, phylogenies limited to archaeal RG resolve most archaeal phyla, suggesting predominantly vertical evolution since the time of the last archaeal ancestor. In contrast, bacterial RG indicates emergence after the last bacterial ancestor followed by significant horizontal transfer. Taken together, these results suggest a non-hyperthermophilic LUCA and bacterial ancestor, with hyperthermophily emerging early in the evolution of the archaeal and bacterial domains.

Giant and large eukaryotic double-stranded DNA viruses from the Nucleo-Cytoplasmic Large DNA Virus (NCLDV) assemblage represent a remarkably diverse and potentially ancient component of the eukaryotic virome. However, their origin(s), evolution and potential roles in the emergence of modern eukaryotes remain a subject of intense debate. Since the characterization of the mimivirus in 2003, many big and giant viruses have been discovered at a steady pace, offering a vast material for evolutionary investigations. In parallel, phylogenetic tools are constantly being improved, offering more rigorous approaches for reconstruction of deep evolutionary history of viruses and their hosts. Here we present robust phylogenetic trees of NCLDVs, based on the 8 most conserved proteins responsible for virion morphogenesis and informational processes. Our results uncover the evolutionary relationships between different NCLDV families and support the existence of two superclades of NCLDVs, each encompassing several families. We present evidence strongly suggesting that the NCLDV core genes, which are involved in both informational processes and virion formation, were acquired vertically from a common ancestor. Among them, the largest subunits of the DNA-dependent RNA polymerase were seemingly transferred from two clades of NCLDVs to proto-eukaryotes, giving rise to two of the three eukaryotic DNA-dependent RNA polymerases. Our results strongly suggest that these transfers and the diversification of NCLDVs predated the emergence of modern eukaryotes, emphasizing the major role of viruses in the evolution of cellular domains.