研究提出氨基酸理化性质趋同新方法
文章导读
你是否曾好奇，为什么蝙蝠和鲸鱼能在不同演化路径中独立发展出回声定位能力？传统方法只盯着氨基酸状态趋同，却可能遗漏了关键线索——理化性质相似的氨基酸，才是功能趋同的幕后推手！中科院动物所邹征廷团队突破性提出CAAP新方法，将20种氨基酸按理化性质分组，聚焦类别变化，精准捕捉适应性演化的分子信号。应用在回声定位哺乳动物、海洋哺乳动物和红树植物三大经典案例中，该方法不仅验证了已知听觉基因，还挖掘出呼吸适应和抗逆胁迫新通路，显著优于传统手段，过滤中性噪音，揭示更强功能相关性。这一开源工具已登陆GitHub，为解码物种适应之谜提供全新视角，推动演化生物学进入精准时代。
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在演化生物学中，趋同演化是指不同生物类群在相似环境压力下独立演化出同一性状的现象。为了挖掘适应性演化的分子基础，比较基因组学研究聚焦于氨基酸状态趋同。但是，氨基酸之间的理化性质差异有大有小，不同氨基酸若具有相似理化性质，也可能实现相似的蛋白功能。因此，传统仅关注状态趋同的方法可能忽略了这一类重要的适应性趋同信号。
近日，中国科学院动物研究所邹征廷团队在分子进化与生态适应研究方面取得进展，提出了氨基酸理化性质趋同（CAAP）新方法，开发了相应的计算方法，揭示了氨基酸理化性质的趋同现象可能是生物适应性功能趋同的分子基础。
理化性质差异小的保守氨基酸替换对蛋白功能的影响有限，由适应性演化驱动的概率较小；差异大的氨基酸替换能够在不同演化分支中发生，更可能是适应性功能趋同演化的结果。研究团队构建出CAAP检测流程，将20种氨基酸按理化性质相似性划分为不同类别，把同一个类别看作一个“氨基酸状态”，只关注类别之间的氨基酸变化。团队基于多种现有趋同检测方法进行改进，使其能够识别CAAP位点。同时，团队将这些方法应用于三类经典的适应性趋同案例——回声定位哺乳动物（蝙蝠与齿鲸）、海洋哺乳动物（鲸类、鳍足类、海牛）和红树植物。
结果显示，在回声定位哺乳动物中，CAAP方法识别出多个已知与听力功能和回声定位相关的基因，还通过显著基因的功能富集分析和正选择检测发现了一批新的候选基因。同时，文献检索显示，这些基因与听觉功能相关。在海洋哺乳动物中，CAAP方法识别出多个与肺细胞外基质组成相关的基因，提示呼吸系统可能存在针对水下环境的适应；在红树植物中，CAAP基因富集于磷脂酰肌醇信号通路和蛋白磷酸化过程，这些通路在植物应对高盐、高温等逆境胁迫中发挥作用，可能与红树植物适应潮间带环境相关。
与随机分组或仅关注状态趋同的方法相比，CAAP方法在多个案例中显示出更高的功能相关性和适应性信号强度，表明其能够过滤中性保守氨基酸变化这一噪音，捕捉到更具功能意义的氨基酸理化性质变化。
上述研究提出并验证了氨基酸理化性质趋同作为适应性趋同演化的潜在分子机制，丰富了领域内对分子层面趋同现象的理解，并为在更广泛物种中探讨适应性演化的遗传基础提供了新思路和新工具。
相关代码和方法已开源发布在GitHub平台（https://github.com/shanschen33/CAAP），供学界使用。
相关研究成果发表在《分子生态资源》（Molecular Ecology Resources）上。研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项等的支持。
研究提出氨基酸理化性质趋同新方法
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