Abstract Tubulins are critical for the internal organization of eukaryotic cells, and understanding their emergence is an important question in eukaryogenesis. Asgard archaea are the closest known prokaryotic relatives to eukaryotes. Here, we elucidated the apo and nucleotide-bound X-ray structures of an Asgard tubulin from hydrothermal-living Odinarchaeota (OdinTubulin). The GTP-bound structure resembles a microtubule protofilament, with GTP bound between subunits, coordinating the “+” end subunit through a network of water molecules and unexpectedly by two cations. A water molecule is located suitable for GTP hydrolysis. Time course crystallography and electron microscopy revealed conformational changes on GTP hydrolysis. OdinTubulin forms tubules at high temperatures, with short curved protofilaments coiling around the tubule circumference, more similar to FtsZ, rather than running parallel to its length, as in microtubules. Thus, OdinTubulin represents an evolution intermediate between prokaryotic FtsZ and eukaryotic microtubule-forming tubulins.

Asgard archaea genomes contain potential eukaryotic-like genes that provide intriguing insight for the evolution of eukaryotes. The actin polymerization/depolymerization cycle is critical for providing force and structure for a variety of processes in eukaryotes, including membrane remodelling. Here, we identify actin filament severing, capping, annealing and bundling, and monomer sequestration activities by gelsolin proteins from Thorarchaeota (Thor), which complete a eukaryote-like actin depolymerization cycle. Thor gelsolins are comprised of one or two copies of the prototypical gelsolin domain and appear to be a record of an initial pre-eukaryotic gene duplication event, since eukaryotic gelsolins are generally comprised of three to six domains. X-ray crystal structure determination of these proteins in complex with mammalian actin revealed similar interactions to the first domain of human gelsolin. Asgard two-domain, but not one-domain, gelsolins contain calcium-binding sites, which is manifested in calcium-controlled activities. Expression of two-domain gelsolins in mammalian cells led to enhanced actin filament disassembly on ionomycin-triggered calcium release. This functional demonstration, at the cellular level, provides evidence for calcium-regulated actin cytoskeleton in Asgard archaea, and indicates that the calcium-regulated actin cytoskeleton predates eukaryotes. In eukaryotes, dynamic bundled filaments are responsible for shaping filopodia and microvilli. By correlation, the formation of the protrusions observed from Lokiarchaeota cell bodies may involve gelsolin-regulated actin structures.

Prebiotic synthesis of complex organic molecules in water-rich environments has been a long-standing challenge. In the modern deep sea, emission of liquid CO