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甘油磷脂是维持生物膜形态与结构、保证细胞各种生理功能正常进行的重要生物大分子。甘油磷脂合成途径在高等真核生物和原核生物中已经研究得比较清楚,均为“从头”合成途径。但两类生物之间仍有着较大的差异。迄今,真核生物中甘油磷脂合成途径是如何起源并演化的仍不清楚。对低等的、处于真核生物进化早期的原生生物进行分析,将有助于我们回答这一问题。通过同源序列搜索、Domam分析等手段,本文从蓝氏贾第虫基因组中鉴定出了若干个参与甘油磷脂合成的酶,并对它们进行了表达验证及定位分析;还通过系统发生分析及对其他十种原生生物的基因组调查,探讨了甘油磷脂合成途径在贾第虫中是如何演化形成的;最后调查了两个关键性酶家族在真核生物中的分布,并对它们进行了系统发生分析。通过这些工作对真核生物甘油磷脂合成途径在真核生物中是如何演化的进行了探讨,得到如下结果和结论:
1)在贾第虫基因组中鉴定出了9个参与甘油磷脂合成的酶的同源物,功能结构域鉴定及分子系统学分析表明这些酶可能在贾第虫中负责部分的CDP-DAG途径及Lands cycle。RT-PCR实验表明它们是活跃转录的,定位实验表明关键性酶-GiPsd定位于内质网(ER)、核周区,该区室在高等真核生物中是负责甘油磷脂合成的重要部位。
分子系统分析表明其中7个酶(GiSlc1、GiSlc2、GiSlc3、GiSlc4、GiCdS、GiPsd和GiPis)在各自的系统发生树上与其真核生物同源物聚在一起,且均位于底部分支;而另外2个酶(GiPgs和GiPss)则仅有有限的真核生物同源物,分别与不同的细菌聚在一起,提示这两个酶应该是通过水平基因转移(HGT)而获得的。对另外十种原生生物的基因组调查表明,尽管甘油磷脂从头合成途径在这些物种中有着不同程度的缺失,但PA途径、尤其是Kennedy途径在这些物种中均是存在的。这些结果表明,贾第虫有着一条不完整的甘油磷脂合成途径,且该途径继承自现有真核生物的最近共同祖先,但在贾第虫分化之后,其甘油磷脂合成途径发生了巨大的变化,彻底丢失了PA途径和Kennedy途径,而保留的CDP-DAG途径也受到了HGT的影响。有趣的是,鉴定出的四条Slc同源物经分析可能负责Lands cycle,这不仅提示贾第虫中存在Lands Cycle,更提示该循环可能在贾第虫未分化之前就已经在真核生物中存在了。
2)对负责甘油磷脂合成的两个关键性酶家族-CDP-alcohol家族及LPAAT家族-在真核生物中的分布进行了系统分析,结果表明CDP-alcohol家族中的CEPT、PIS和CLS亚家族在绝大多数真核生物中均有分布,不仅表明CDP-alcohol家族在现有真核生物最近共同祖先中已经发生分化并形成了Kennedy途径,更提示可能已经存在着基于PI的信号系统和心磷脂相关的呼吸链系统。而PGS和PSS亚家族仅在部分真核生物物种中零星存在,如PGS仅存在于贾第虫、毛滴虫和植物,而PSS仅发现存在于贾第虫、酵母和脊椎动物。系统发生分析显示PIS、CLS及来源于不同真核生物的PGS和PSS分别与不同的细菌聚在一起,这不仅表明真核生物的甘油磷脂合成途径继承自细菌,而且表明真核生物最近共同祖先中的甘油磷脂合成途径已经发展成现有真核生物所具有的模式,但在后续的进化过程中个别谱系受到了HGT事件的影响发生了改造;通过保守性motif的鉴定及基因组搜索,系统调查了LPAAT家族在真核生物中的分布,序列特征分析及分子系统发生分析表明该家族可以分为四个亚家族,而且每个亚家族均涵盖了从原生生物到高等动物的成员,这表明四个亚家族LPAAT家族在真核生物最近共同祖先中已经存在。此外,已报道的9个成员在系统发生树中分别聚在不同的亚家族中,且部分物种中缺少某个亚家族成员,如大多数酵母缺少亚家族Ⅰ的成员,这表明LPAAT家族在真核生物的进化过程中不仅继续通过基因重复形成更多的亚家族以适应不同的底物需求,还可能在个别物种中发生谱系特异性的丢失。