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《Science | 食肉猪笼草的趋同揭示了复合性状进化的机制》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2024-01-06

  • 2024年1月4日，杜伦大学等机构的研究人员在Science上发表了题为Convergence in carnivorous pitcher plants reveals a mechanism for composite trait evolution的文章。

    复合性状涉及多个成分，只有当结合，获得一个新的协同功能。因此，它们如何进化仍然是一个谜。

    该研究结合野外实验，显微镜，化学分析和激光多普勒振动测定与比较系统发育分析，表明两种食肉猪笼草植物物种在三个不同性状中独立进化出相似的适应性，以获得一种新的复合捕获机制。比较分析表明，这种新的性状是通过所需的性状组合的“自发巧合”而不是组成性状的定向选择共同产生的。

    该研究结果表明了复合性状进化的合理机制，并强调了随机表型变异作为进化新颖性促进因素的重要性。

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    • 编译者：季雪婧
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    •     趋同进化指不同物种在适应相似环境压力下，呈现出相同进化特征的现象，是体现自然选择在进化中作用的直接证据。利用基因组数据解析趋同进化的分子机制，为理解物种极端环境适应性进化提供重要线索。青藏高原地貌复杂多样，环境异质性强，孕育着丰富的生物多样性，高山生境易受环境变化影响，是探究物种适应性进化的天然实验室。生长在高海拔地区的许多植物具有“温室”状苞叶结构、密被长棉毛以及垫状结构等趋同进化的现象。然而，高山植物适应高海拔环境分子水平的趋同进化仍待进一步研究。   武汉植物园王恒昌研究员团队首次获得了高山植物菊科风毛菊属苞叶雪莲和蓼科大黄属苞叶大黄高质量基因组，并整合已公开发表的高山植物基因组，在被子植物层级探讨了植物适应高海拔环境的趋同进化分子机制。结果发现，高山植物基因组中抗病相关的基因家族发生收缩，推测与生长在高海拔恶劣环境下的病原菌较少有关。基因选择压力和蛋白进化速率的综合分析表明，与自交不亲和、细胞壁修饰、DNA修复和抗逆性相关的基因或通路发生趋同进化，是高山植物适应极端寒冷、高紫外线辐射和缺氧环境重要的遗传基础。利用苞叶雪莲不同组织的转录组数据，揭示了与角质层蜡质和类黄酮生物合成途径相关基因在叶状苞片中有较高的表达水平，初步探讨了适应性“温室”性状的分子机理。该研究采用整合生物学思想，在基因组水平剖析高海拔环境适应的分子趋同进化，对深入理解高山植物的适应策略和多样性维持机制具有重要意义。   研究结果以“Genomic convergence underlying high-altitude adaptation in alpine plants”为题，发表于植物学领域著名期刊Journal of Integrative Plant Biology。系统与进化课题组特别研究助理张旭为该论文的第一作者，王恒昌研究员、昆明植物所邓涛研究员和孙航研究员为通讯作者。研究得到第二次青藏科考项目、中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金重点项目资助。
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  • 《Science丨揭示真核生物焦亡蛋白GSDM非酶切依赖的全新激活机制》
    • 来源专题：战略生物资源
    • 编译者：李康音
    • 发布时间：2024-04-29
    • 2024年4月25日，中国科学院生物物理研究所丁璟珒课题组和北京生命科学研究所邵峰团队合作，在 Science 期刊发表了题为Cleavage-independent activation of ancient eukaryotic gasdermins and structural mechanisms 的研究论文，该研究揭示了两种来源于低等真核生物的GSDM蛋白通过非蛋白酶切割的新颖方式激活的分子机制。 研究人员首先通过序列同源性分析发现，最原始的多细胞生物丝盘虫（Trichoplax adhaerens）的基因组编码了一个只含有膜打孔结构域的GSDM同源蛋白（TrichoGSDM）。通过重组表达和纯化鉴定，发现TrichoGSDM蛋白同时存在单体和二聚体两种形式，其中单体蛋白具有在脂质体上打孔的活性，TrichoGSDM二聚体则不能上膜打孔。研究人员进一步解析了TrichoGSDM二聚体高分辨率的晶体结构，意外地发现TrichoGSDM二聚体是由两个单体蛋白通过三对分子间二硫键交联而成。在体外利用还原剂处理TrichoGSDM二聚体，或者突变参与二硫键形成的Cys都可以获得均一的单体蛋白，并展示出强烈的膜打孔活性，这表明二硫键连接的二聚体代表了TrichoGSDM蛋白的非激活状态，二聚体向还原态的单体转换可能是TrichoGSDM蛋白潜在的激活机制。细胞质中的谷胱甘肽（glutathione，GSH）和硫氧还蛋白（thioredoxin，TRX）是两种重要的抗氧化系统，可以清除胞质中有害的活性氧或者蛋白质错误氧化形成的二硫键，维持胞质的还原环境。 研究人员利用胞质生理浓度的GSH或丝盘虫的TRX蛋白处理TrichoGSDM二聚体，都可以将二聚体还原、释放单体的膜打孔活性，在细菌中诱导表达TrichoGSDM具有和哺乳动物GSDM蛋白N端结构域相似的抑菌活性，说明细菌胞质的还原环境有利于TrichoGSDM维持在活化的单体状态，通过在细菌膜上打孔抑制细菌生长。研究人员还成功解析了TrichoGSDM在脂质体膜上形成的分子孔道高分辨率的冷冻电镜结构，发现TrichoGSDM由44个单体形成了目前已知的真核生物最大的GSDM孔道。通过结构分析揭示了TrichoGSDM识别酸性磷脂、发生构象变化并寡聚组装成孔的结构基础。这些研究阐明了TrichoGSDM从分子间二硫键介导的二聚体自抑制状态，通过还原二硫键活化成具有打孔活性的单体状态，并进一步在膜上寡聚打孔介导细胞死亡的分子机制，这种新颖的激活机制在GSDM蛋白中是首次发现的。 TrichoGSDM的发现激发了研究人员继续探寻只含有膜打孔结构域的GSDM蛋白的研究兴趣。最近，在丝状真菌粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）中发现的融合致死基因rcd-1，在不同菌株中的等位基因可编码RCD-1-1和RCD-1-2两种同源蛋白，当不同菌株发生细胞融合时，两种RCD-1蛋白介导了同种异体识别（allorecognition）引发的细胞死亡。研究人员通过解析RCD-1-1和RCD-1-2的晶体结构，发现两种RCD-1蛋白与哺乳动物GSDM的膜打孔结构域具有相似的结构特征，但二者缺少发挥自抑制功能的结构元件。单独的RCD-1-1或RCD-1-2在溶液中呈现单体状态，通过识别酸性磷脂结合在脂质体膜上，却无法寡聚打孔，因而没有细胞毒性。而两种RCD-1蛋白在大肠杆菌、酿酒酵母或HeLa细胞等多种细胞系统中共表达时，会引发强烈的裂解性细胞死亡。 通过解析共孵育的RCD-1-1和RCD-1-2蛋白在脂质体膜上形成的分子孔道冷冻电镜三维结构，发现两种蛋白通过交替排布的异源寡聚组装方式形成已知的最小GSDM孔道。分析RCD-1分子孔道中两种蛋白的作用方式发现，每一个RCD-1-1分子都与两侧相邻的RCD-1-2分子相互作用，但两侧的互作方式并不等效，拥有更强分子间极性作用的一侧主导了RCD-1异源二聚体的形成，而另一侧的分子间相互作用驱动了以异源二聚体为单元进一步寡聚成孔。将RCD-1-1和RCD-1-2蛋白与脂质体共孵育，或分别结合脂质体后再进行共孵育，都可以通过两种蛋白的分子间识别激活在脂质体膜上的打孔活性，而将异源二聚体识别界面的关键残基突变，在分别表达两种蛋白的不同交配型酵母细胞融合或不同粗糙脉孢菌菌株的孢子融合时，都阻断了RCD-1蛋白的分子间识别，因而不能激活膜打孔活性并引起裂解性细胞死亡。这些研究揭示了具有膜结合特性的RCD-1蛋白单独存在时处在未激活的静息状态，细胞融合导致两种蛋白相遇，通过分子间特异性识别来激活异源二聚体组装，并进一步在细胞膜上寡聚成孔，执行细胞死亡的功能。 上述研究打破了一直以来认为GSDM蛋白需要蛋白酶切割打开自抑制、激活膜打孔活性的传统认识，揭示了低等真核生物中两类只含有膜打孔结构域的GSDM蛋白，分别通过氧化还原调控或配对的分子间相互作用来释放膜打孔活性的全新激活机制，拓展了对GSDM蛋白进化和功能多样性的机制理解。多种不同的激活机制表明GSDM蛋白可以响应更广泛的生物学信号，参与更丰富的生命活动过程。同时，这种不依赖酶切的GSDM蛋白具有被开发成诱导细胞死亡新型工具的潜力，可以助力细胞焦亡相关的基础和转化研究。
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