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迄今为止,卡尔文循环是真核生物中唯一的二氧化碳固定途径。卡尔文循环利用NADPH和ATP将CO2转变成有机物,是自然界中有机物的主要来源。虽然,卡尔文循环中的酶促反应过程早在1956年就已经阐明,多数参与光合真核生物卡尔文循环的酶/基因的起源也有了较多的研究。但是,循环的5个关键酶中FBPase和SBPase的起源问题依然存在争议。本文首先对处于光合真核生物进化的关键地位的两种绿藻--衣藻和团藻中的FBPase进行了研究,进而对真核FBPase和SBPase进行了分子系统分析,以探讨光合真核生物中卡尔文循环的起源。
本研究发现:不同于一般光合真核生物中FBPase具有“胞质型”和“叶绿体型”两种亚型(分别参与糖异生途径和卡尔文循环),衣藻和团藻的基因组中只有一个编码叶绿体定位的FBPase(FBPase1)基因；多序列比对结果显示,FBPase1具有叶绿体型FBPase特有的参与光调节的氨基酸片段插入。再结合别人的“衣藻中的FBPase1的酶活性受光调节”的实验证据,本文认为该FBPase1为叶绿体型FBPase。有意思的是,通过搜索衣藻和团藻的基因组,本文发现了一个新型的FBPase酶基因(fbp2)。RT-PCR结果和EST数据均显示该基因在这两种绿藻中具转录活性。通过组装EST序列,获得了衣藻fbp2的cDNA和相应的蛋白序列。分析显示两种绿藻fbp2编码的氨基酸序列包含Li+-敏感磷酸酶基序(motif)和Ⅱ类FBPase特有的FBPase_glpX结构域(domain)。这表明,该基因编码的蛋白(FBPase2)是Ⅱ类FBPase。这是第一次在真核生物中鉴定得到这种原核型Ⅱ类FBPase。分子系统分析进一步揭示了衣藻和团藻的共同祖先可能通过一次古老的水平基因转移事件,从放线杆菌亚纲的共同祖先中获得了该基因。由于放线杆菌亚纲Ⅱ类FBPase具有胞质型FBPase的重要特征,因此推测所发现的FBPase2具有胞质型FBPase的特征。软件预测该FBPase2具有约20aa的信号肽,为叶绿体定位。再加上有研究表明衣藻的糖异生途径主要发生在叶绿体中。因此本文认为衣藻和团藻中也有两个FBPase同功酶;但与其它光合真核生物不同的是,胞质型FBPase发生了丢失,取而代之的是原核型Ⅱ类FBPase参与其叶绿体中的糖异生途径。这种FBPase的不同情形很可能与这两种绿藻中独特的代谢途径区室化有关。
在细菌中,果糖-1,6-二磷酸和景天庚酮糖-1,7-二磷酸的去磷酸化是由果糖-1,6-/景天庚酮糖-1,7-二酸酶(F/SB Pase)双功能酶催化的；但是,在光合真核生物中却是由底物特异的叶绿体型FBPase和SBPase分别催化的。通过结构域分析,本文发现细菌F/SBPase双功能酶可以划分为进化关系很远的两类(Ⅰ类和Ⅱ类)。通过选取来自更多细菌类群的代表序列,与真核FBPaSe和SBPase一起进行分子系统分析。结果显示,FBPase和SBPase既不是起源于Ⅰ类F/SBPase双功能酶,也不是起源于Ⅱ类F/SBPase双功能酶:而是分别起源于不同的真细菌Ⅰ类FBPase。真核FBPase并没有与α-变形菌或蓝细菌FBPase聚在一起,却与不同类群细菌FBPase形成的clade形成姐妹枝。因此,尚不能明确真核FBPaSe起源于那类真细菌。真核SBPase形成的clade与ε-变形菌FBPase形成的clade在一起形成姐妹枝,表明SBPase很可能是通过一种未知机制起源于ε-变形菌的FBPase。
最后,基于上述研究结果并结合其它研究事实,本文还对光合真核生物中卡尔文循环的起源进行了探讨。