向高l-DOPA 4,5-双加氧酶活性的多重转变揭示了香叶中趋同β素色素沉着的分子途径

IF 8.3 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES

New Phytologist Pub Date : 2025-05-05 DOI:10.1111/nph.70177

Nathanael Walker-Hale, M. Alejandra Guerrero-Rubio, Samuel F. Brockington

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摘要

生命中充满了相似特征的例子，这些特征通过趋同进化在不同的谱系中进化出来(Losos, 2011；Foote et al., 2015；Heyduk et al., 2019)。广泛的表型趋同被解释为进化对类似的选择压力作出可预测的反应的证据，或者是进化在新变异的产生中受到高度限制的证据，或者是两者的结合（Losos, 2011）。因此，趋同可以被解释为适应的证据，但也可以解释为偶然变化的结果，然后由漂移固定（Stayton, 2008, 2015）。研究表型趋同的分子基础为探索驱动表型迭代进化的变异和过程提供了一个强大的框架(Zhang &amp；库马尔,1997;Foote et al., 2015；Sackton et al., 2019)。即使是远亲谱系，也可以通过重复出现相同或相似的突变，或通过同源位点上具有类似效果的不同突变，在趋同性状的进化中重复使用同源变异(Christin et al., 2010；斯特恩,2013;Storz, 2016)。相比之下，其他研究揭示了趋同表型具有不同的遗传基础，这表明趋同性状的进化可能涉及分子趋同或分子分化，或者两者的结合(Hoekstra等人，2006；Natarajan et al., 2016；Van Belleghem et al., 2023)。已经部署了多种方法来区分分子水平上的收敛。一种方法使用祖先序列重建来搜索同源位点上的重复氨基酸替换，在具有趋同表型的谱系之间(Zhang &amp；库马尔,1997;Castoe et al., 2009；Foote et al., 2015)。祖先序列重建推断出亲本和后代状态之间的所有替换，根据亲本和后代状态的氨基酸身份对同一位点的重复氨基酸替换进行分类：收敛性（如果相同的后代状态是由不同的父状态产生的），平行性（如果相同的后代状态是由相同的父状态产生的），发散性（如果同一位置的重复替换导致不同的后代状态）。库马尔,1997;Castoe et al., 2009)。与此同时，其他基于模型的方法试图放松氨基酸身份的约束来推断适应性收敛，承认不同的状态可能在收敛表型的环境中具有相似的适应度(Tamuri等人，2009；Parto,Lartillot, 2018;Rey et al., 2019)。这些基于模型的方法还试图消除从中性收敛中得出的假阳性推断，其中显示自适应收敛证据的位点通常是祖先序列重建推断的子集。然而，谱系特异性上位性可能会限制相同替代在不同背景下产生相同功能效应的程度(Pollock et al., 2012；邹,张,2015;Storz, 2016)。因此，祖先序列重建耦合到在复活的祖先蛋白背景下推断的替换的位点特异性突变(Hochberg &amp；Thornton, 2017)强调，对于理解蛋白质功能的进化，独特的和不同的替代位点可能与聚合位点一样重要（Natarajan等人，2016）。因此，这些方法的结合有助于解决趋同表型的分子进化基础。植物代谢具有大量多样的特化代谢物，这显示了趋同进化的许多显著例子(Pichersky &amp；李文森,2011)。基因复制和分子趋同通常涉及(Christin et al., 2007；Besnard et al., 2009；Moghe,最后，2015年)，祖先序列重建对于理解酶功能的进化至关重要(Smith et al., 2013；黄等人，2016；Kaltenbach et al., 2018；Lichman et al., 2020；O'Donnell et al., 2021)。甜菜素是一组红色到黄色的色素，在开花植物中只存在于石竹属植物中，它们可以取代花青素色素（Timoneda etal ., 2019）。此前，有人认为betalains可能进化了多次（Brockington etal ., 2011），随后，我们通过比较和分子数据发现了多达四次转变的进一步支持（Sheehan etal ., 2020）。甜菜素途径的一个关键步骤（图1a）是1,5 -双加氧酶切割l-3,4-二羟基苯丙氨酸（l-DOPA）形成甜菜素酸，甜菜素色素的核心发色团（图1a）。在石楠属植物中，这一步骤是由拟南芥LigB基因的DODA同源物完成的，该基因具有l-DOPA 4,5-双加氧酶活性(Christinet et al., 2004；Sasaki et al., 2009；Chung et al., 2015)。Brockington等人。（2015）发现，在DODA基因谱系中，石竹属植物具有特异性的重复，从而形成了两个大分支，分别称为DODAα和DODAβ，其中l-DOPA 4,5-双加氧酶活性仅在DODAα谱系中发现。Sheehan等人（2020）随后表明，l-DOPA 4,5-双加氧酶活性在现有的DODAα旁系中是多系的。大量的基因复制产生了具有高左旋多巴4,5-双加氧酶活性的分支，称为DODAα1，而姐妹分支称为DODAα2，几乎没有左旋多巴4,5-双加氧酶活性（图1b）。石竹属植物中非doda α1同源物的主要活性尚不清楚，尽管AtLigB可以催化l-DOPA的2,3-裂解产生肌肉素，并天然参与拟南芥酮的生物合成(Weng et al., 2012；Kasei et al., 2021)。基于这些模式，Sheehan等人（2020）推断甜菜素色素的重复专门化，在谱系特异性基因复制后多次过渡到高水平的l-DOPA 4,5-双加氧酶活性，这与现有分类群中甜菜素色素发生的同质模式一致（图1c）。石竹科植物β素的进化。(a)甜菜素生物合成途径。由DODA催化的左旋多巴和β胺酸之间的转变用金色表示。(b)属级物种树，显示了花青素（蓝色）和甜菜素（紫色）之间的色素沉着状态重建，突出显示了四种推断来源（Sheehan etal ., 2020）。(c) DODA基因树示意图（Sheehan et al., 2020）。根连接到DODAβ支系，节点处的平方表示基因重复，支系通过其名称进行注释，支系的颜色对应于现存序列的l-DOPA 4,5-双加氧酶活性：金色为高活性，灰色为低活性或无活性。分支标签对应于(b)中的弧线标签。DODA, l-DOPA 4,5-双加氧酶；左旋多巴,l - 3, 4-dihydroxyphenylalanine。尽管Sheehan等人（2020）提供的证据令人信服，但它不是决定性的，仍然存在一些不确定性和机会。首先，虽然我们推断了向高左旋多巴4,5-双加氧酶活性的反复转变，但在没有祖先蛋白复活的情况下，我们无法排除一次向高活性的转变之后多次逆转到低活性的可能性。其次，根据Bean等人（2018）的一篇文章，doda α1样序列中l-DOPA 4,5-双加氧酶高活性的分子基础被证明是有争议的（Guerrero-Rubio et al., 2023）。Bean等人（2018）比较了在更广泛的石竹属DODAs样本中，β vulgaris DODAα1和DODAα2蛋白在始终不同的位点上的现存状态。通过突变DODAα2中的这些位点以匹配在DODAα1中发现的氨基酸状态，他们认为只有7个突变负责高活性的进化。然而，我们随后无法重现他们的结果（Guerrero-Rubio et al., 2023）。尽管Bean等人（2018）所涉及的一些网站似乎是基于比较分析的良好候选者(Sheehan等人，2020；Guerrero-Rubio等人，2023)，这些残基不足以赋予DODAα2高活性的事实进一步说明了未描述的进化复杂性。趋同色素沉着的概念越来越得到证实(Sheehan etal ., 2020；Pucker et al., 2024)，但尚未被用于洞察这种复杂性。因此，高活性的进化路径仍然未知，并且未探索不同过渡到高活性的分子趋同程度。本研究基于多源假说，探讨了石竹属植物高左旋多巴4,5-双加氧酶活性的分子演化。首先，我们收集了大量现存的DODAα同源物，并测定了它们在酵母中的活性，证实了高活性的多系分布。我们推断了一个与石竹属植物系统发育相协调的DODAα基因树，并利用它重建了石竹属植物的祖先序列。我们在酵母中复活了这些祖先的序列，并表明高活性进化了三次。然后，我们推断历史上的替代，并通过调查它们的结构背景，发现在高活性进化中涉及的收敛、发散和独特替代的混合物。研究表明，DODA酶结构和功能的自适应趋同进化发生在一个复杂的序列景观中，为揭示石竹科植物β素复杂的分子进化提供了新的思路。

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