基于原核生物基因组及系统发育分析发现莽草酸通路的起源过程可能蕴藏趋同和趋异两种进化模式

摘要

尽管莽草酸通路在生物合成和代谢研究方面一直受到广泛关注,但目前关于该通路的起源和分子进化的研究鲜有报道.为了揭示莽草酸通路相关蛋白的早期进化关系,本研究以隐马尔科夫(Hidden Markov Model)模型为基础结合新的生物信息学方法,对莽草酸通路在1294个原核生物基因组中的分布和系统发育关系进行了分析,结果发现该通路在原核生物的共同祖先(Last Universal Common Ancestor,LUCA)还未产生细菌和古菌的分歧之前已经广泛存在,且起源过程吻合之前关于代谢通路起源的拼凑假说(patchwork hypothesis).同时发现相关的七个反应催化酶在构成莽草酸通路时可能存在两种截然不同的方式:控制此通路第一步和最后两步的酶是从进化上差异较大原始酶类招募而来，经过长时问的趋同进化形成了控制相同反应的不同基因型;相反控制中间四步反应的酶分别来自两个原始蛋白，经过基因复制以及长时间的趋异进化形成了目前的酶。另外还发现控制中间四步反应的酶可能比控制头部和尾部的酶更早的出现在共同祖先中，为了获得生理功能和进化上的优势，祖先细胞的不同个体从多个有相似功能但具有不同发育关系的蛋白家族中招募控制头尾部的酶类，以加速形成完整的莽草酸通路以适应环境。这些发现使得对莽草酸通路的早期进化有了新的认识，同时也丰富了关于代谢通路起源的拼凑假说的理解。