只靠這個就能發PNAS？！我沒看錯？

在你的認知裡，是不是頂刊高大上的研究採用的大都是一堆名字都讀不上來特別複雜高深的實驗研究手段，但是有篇PNAS不一樣，它全文的研究方法就只有一個，

這篇文章的主要思路整理如下：

（譯者整理）

解決的科學問題及意義

剖析了影響細菌和古生菌中一氧化碳脫氫酶/乙酰輔酶A合酶（CODH / ACS）的當前分佈和多樣性的因素，並解決有關其祖先及其進化的問題，還為CODH / ACS的一些重要功能和生態方面的研究打開了視野。

背景

在產氧光合作用的出現以及氧在地球上積累之前，地球上的生命基本上是由厭氧微生物組成的。通過Wood-Ljungdahl途徑進行厭氧固碳被認為是最古老的代謝途徑，並且在現代生態系統中仍然起著舉足輕重的作用。它包括兩個分支，甲基和羰基分支（圖1）。這種複雜的反應是通過氧敏感型一氧化碳脫氫酶/乙酰輔酶A合酶（CODH / ACS）來介導的，它是一個雙功能多聚體酶。此外，CODH / ACS還可以在某些細菌和古生菌中反向發揮作用，如將乙酰輔酶A降解為CO2和四氫甲蝶呤/四氫葉酸（H4MPT / THF），以及在古生菌中降解乳酸為3個CO2。

五個不同的亞基構成了CODH / ACS複合體，它們的編碼基因經常出現在一個基因簇中（圖1 B和C）。它們中的四個在細菌和古生菌之間是同源的。在古生菌中，它們被稱為CdhA（α亞基），CdhC（β亞基），CdhD（δ亞基）和CdhE（γ亞基），而在細菌中，它們各自的同系物稱為AcsA（β），AcsB（α），AcsD（δ）和AcsC（γ）。此外，還有古生菌專有的一個亞基，稱為CdhB（ε亞基），細菌專有的一個亞基（AcsE）。

雖然人們普遍認為CODH / ACS是大多數產甲烷菌和某些產乙酸、硫酸鹽還原和厭氧細菌的特徵，但在許多厭氧古菌譜系也鑑定出了該CODH / ACS亞基同系物。這表明CODH / ACS的分佈範圍比以前認為的更大。

在此文中，作者對CODH / ACS複合體進行了迄今為止最詳盡的系統生物學分析，以瞭解這種古老酶複合體的起源和進化史。

圖. 1 （A）WL途徑的反應，該反應通過CODH / ACS酶複合體完成。（B）CODH / ACS亞基的命名和功能。（C）在細菌和古生菌中CODH / ACS基因簇同源亞基的排布，其中黃色的基因對應於同源輔助蛋白CooC和AcsF。

1. 本地數據庫創建：作者創建了古菌和細菌代表基因組序列的本地數據庫，囊括了NCBI上所有原核生物物種的代表基因組，還有一些從JGI/IMG和ggkbase數據庫（ggkbase.berkeley.edu/）收集來的基因組。

2. 同源性搜索：從KEGG數據庫中，選出Swissprot註釋的細菌和古細菌中CODH/ ACS的六個亞基（CdhABCDE和AcsE）的序列，用於對細菌和古細菌的本地基因組數據庫進行同源搜索（HMMer軟件）。

3. 系統發育分析：上一步獲得的序列數據集用MUSCLE對齊，然後使用BMGE軟件進行修剪以選擇對齊良好的位點。使用IQTree（TEST選項，100次自展重複）以及PhyloBayes（CAT + GTR +Γ4模型）計算單基因進化樹，並摺疊自展值<80％的節點。

4. 構建參考物種樹：使用41個保守基因（8710-AA）的串聯來構建古細菌的參考系統發育樹，使用RNA聚合酶亞基（2,337-AA）的串聯序列來構建細菌的參考系統發育樹（

（主要文章思路可以翻看上面的總結）

主要結果

CODH/ ACS基因簇在細菌和古生菌中有廣泛的分佈和顯著保守性。對CdhA / CooS同源物的系統進化分析表明，CooS基因可能在菌群中通過CdhA的複製事件而出現在細菌進化的早期，並且已經經歷了廣泛的域內和域間水平轉移以及進一步的複製，這與先前的分析一致。CooS的廣泛分佈凸顯了細菌和古生菌中厭氧羧化營養（Carboxydotrophy）能力的廣泛性。

通過投射到古生菌和細菌的最新參考系統發育，發現CODH / ACS酶複合體簇是廣泛分佈的（圖2）。完整且可能具有功能的五亞基酶複合體似乎是各種厭氧生態系統的新古生菌譜系的普遍特徵（圖2A）。此外，作者在Thaumarchaeota未培養成員的基因組中發現了完整的CODH / ACS（圖2A），這表明此古菌門存在更廣泛的代謝能力和生物地球化學循環作用，而在之前被認為僅通過3-羥基丙酸酯/ 4-羥基丁酸途徑固定碳。

圖2 映射在古生菌（A）和細菌（B）的貝葉斯參考系統發育上的CODH / ACS複合體的分佈。

值得一提的是，CODH / ACS在Asgard 超門成員中（它們被認為是真核生物從中出現的古生菌進化枝）的分佈很有趣，特別是在Lokiarchaeota基因組中的CODH / ACS能夠說明真核生物的氫依賴性和祖先的自養能力。

與以前的報告一致，Altiarchaeales是唯一似乎始終缺乏CdhB同源物的古生菌（圖2A）。由於Altiarchaeales可能會在古生菌系統發育中形成一個深分支（圖2A），因此它們的四亞基簇可能代表了古生菌的祖先版本，而CdhB稍後出現。從理論上講，CdhB亞基的作用是結合FAD作為替代電子供體或調節整個CODH反應；因此，其起源可能與古菌多樣化過程中酶的進一步微調有關。

最後，Methanomassiliicoccales和Methanoflorentaceae具有幾乎完整細菌型CODH簇，但完全缺乏古生菌型CODH，一些Methanomicrobiales還有的局部細菌型CdhCDE簇（圖2），這可能是發揮功能的，通過CO而不是CO2固定碳。

古生菌中CODH / ACS的進化

CODH/ ACS五個單獨的亞基（CdhABCDE）的單基因樹沒有顯示出明顯的不一致性，所得到的樹是與參考古生菌系統發生樹大體一致，這表明

圖3 基於古生菌型CODH / ACS的五個亞基（CdhABCDE，2,063-AA位）的系統發育樹。黑色菱形表示跨界的基因轉移

與古生菌相比，細菌中CODH / ACS的進化過程更為複雜。細菌CODH / ACS的氧化還原酶模塊（CdhAC）和甲基轉移酶模塊（AcsE-CdhDE）顯示出了不同的進化歷史，但兩者總體上都與參考系統發育一致（圖4）。這表明在當今所有細菌的祖先中都存在五個亞單位CODH / ACS（AcsE-CdhACDE）。但是，由於最近和更古老的替換事件（圖4中黑色矩形），這兩個模塊的演化歷史仍存在一些差異。通過比較參考樹和基因樹以識別錯位的進化枝（受體），可以推斷出這些基因轉移的方向。

圖4 PhyloBayes貝葉斯系統發育樹（A）基於兩個氧化還原酶模塊亞基（CdhAC,1,248AA）；（B）基於三個甲基轉移酶模塊亞基（AcsE-CdhDE，965AA）。

LUCA中的CODH / ACS

當前的基因組數據表明，功能性CODH / ACS複合體在細菌和古生菌中的分佈比以前已知的廣得多。此外CODH / ACS亞基具有驚人的保守性，並且在很大程度上是垂直遺傳，這說明每個域的祖先中有很大可能存在五亞基複合體（古生菌中的CdhABCDE和細菌中的AcsE-CdhACDE），該複合體至少包含四個常見的亞基CdhACDE。儘管如此，LUCA中酶複合體的確切性質仍然有待推測，有四種可能的情況（圖5）。

在第一種場景中，LUCA有現代古生菌型五亞基CODH / ACS，而細菌獲取了ACSE但丟失了CdhB（圖5）。

第二種情況，LUCA具有五個細菌版本的亞基，而古生菌可能獲得了CdhB並丟失AcsE（圖5B）。

第三種情況，LUCA具有一個六亞基的CODH / ACS，而細菌中的AcsE和古生菌中的CdhB可能發生了丟失（圖5C）。

第四種情況，LUCA可能僅具有四個共同亞基（CdhACDE）的複合體版本，而特定的古生菌（CdhB）和細菌（AcsE）亞基是隨後獲得的（圖5D）。

此外，CODH / ACS在很久之前就存在並不能說明LUCA的生活方式。原始的CODH / ACS可能無法固定碳，只能進行異養分解代謝（如古生球藻），它也可能在特定的H2濃度下從合成代謝功能轉換為分解代謝功能，類似於現在的一些產乙酸菌。

圖5 LUCA中CODH / ACS酶複合體的性質以及在兩個域中轉變為細菌和古生菌類型的可能歷程。向內的箭頭表示出現了一個新的亞基，而向外的箭頭則表示失去了亞基。

原文鏈接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5819426/

參考文獻：Adam, Panagiotis Set al. “Evolutionary history of carbon monoxide dehydrogenase/acetyl-CoAsynthase, one of the oldest enzymatic complexes.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America vol. 115,6 (2018):E1166-E1173. doi:10.1073/pnas.1716667115

來源科研講壇

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