清華新聞網(wǎng)4月29日電 傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，進(jìn)化對(duì)于某一特定性狀而言是“單行道”：一個(gè)物種要么丟失，要么獲得某種功能。然而，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院杜立林實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，同一物種可以同時(shí)沿兩個(gè)相反方向進(jìn)化：有些裂殖酵母菌株通過(guò)基因丟失或沉默喪失半乳糖利用能力，另一些則通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移與基因擴(kuò)增獲得更強(qiáng)的代謝能力。這一“雙向進(jìn)化”范式為理解真核微生物代謝性狀的進(jìn)化提供了新視角。
微生物代謝能力的變異是決定其環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化的關(guān)鍵。芽殖酵母（Saccharomyces cerevisiae）的半乳糖代謝途徑（Leloir 途徑）是研究代謝性狀進(jìn)化的經(jīng)典模型，該途徑依賴(lài)三種酶的協(xié)同作用，其編碼基因在真菌中往往成簇存在。裂殖酵母（S. pombe）作為遺傳學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)研究的重要對(duì)象，與芽殖酵母親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，二者約在五億年前分化。此前，科學(xué)界針對(duì)裂殖酵母半乳糖代謝途徑的研究較少，對(duì)于自然界中裂殖酵母?jìng)€(gè)體在半乳糖利用能力上的多樣性亦不清楚。
GMC_Gal1及其同源物在裂殖酵母中的最大似然法系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)
研究人員系統(tǒng)分析了覆蓋裂殖酵母已知遺傳多樣性的58個(gè)自然分離株，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诎肴樘抢媚芰ι洗嬖诋惡鯇こ５谋硇投鄻有裕簭耐耆荒芾冒肴樘牵℅al?）到在半乳糖培養(yǎng)基上異常快速生長(zhǎng)（GalF），呈現(xiàn)出從功能喪失到功能增強(qiáng)的廣泛跨度。
不能利用半乳糖的Gal?表型源于兩類(lèi)機(jī)制：一是基因丟失，7個(gè)菌株通過(guò)3種不同途徑（轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的重組、微同源介導(dǎo)的缺失以及DUF999家族基因間的重組）完全或部分缺失了gal基因簇；二是表達(dá)沉默，另外10個(gè)菌株雖保留完整的gal基因簇，但其表達(dá)受到MAPK信號(hào)通路和轉(zhuǎn)錄抑制蛋白Ssn6的抑制，導(dǎo)致表達(dá)水平不足。
與Gal?表型相反，GalF菌株的超強(qiáng)半乳糖利用能力源于參考基因組中不存在的多拷貝基因簇：gal-melcluster（GMC）。該基因簇以4至8個(gè)串聯(lián)拷貝形式存在，每個(gè)拷貝含9個(gè)基因，除編碼半乳糖代謝酶外，還包含一個(gè)水解蜜二糖（melibiose）的蜜二糖酶的基因。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，高拷貝數(shù)帶來(lái)的基因劑量效應(yīng)導(dǎo)致了GalF表型。GMC不僅增強(qiáng)了半乳糖利用能力，還賦予了菌株利用蜜二糖的能力（Mel?）。Mel?表型幾乎完全與GMC關(guān)聯(lián)，僅有一個(gè)例外的Mel?菌株攜帶了一個(gè)獨(dú)立的蜜二糖酶基因。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，這些增強(qiáng)代謝能力的基因源于水平基因轉(zhuǎn)移。
綜上所述，該工作揭示了真核微生物代謝性狀可塑性的新范式：相反方向的進(jìn)化力量可在一個(gè)物種內(nèi)協(xié)同作用，共同塑造代謝多樣性。
研究成果以“基因丟失、抑制、擴(kuò)增和水平獲取形成了裂變酵母的半乳糖/二糖代謝”（Gene loss, repression, amplification, and horizontal acquisition shape galactose/melibiose metabolism in fission yeast）為題，于4月24日發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。
清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院杜立林實(shí)驗(yàn)室的杜曉敏博士為論文第一作者，杜立林教授為論文通訊作者。其他作者還包括杜立林實(shí)驗(yàn)室的生物信息員索芳。該研究在北京生命科學(xué)研究所完成。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2532532123
供稿：生物醫(yī)學(xué)交叉研究院
編輯：李華山
審核：郭玲
