文章导读
当你还在用“MTS弱化”来解释哺乳动物植食性演化时，一项《自然·通讯》最新研究直接颠覆了这个认知。研究团队对比43个物种后发现，AGT酶从线粒体到过氧化物酶体的定位转换，根本不是靠单一机制——而是转录调控、MTS突变和PTS1强化三者协同的趋同演化系统。更反常识的是，即使MTS功能完备，PTS1仍能单独驱动定位转换，彻底打破了“PTS1只在MTS失效时才起作用”的旧模型。这个发现会给你的演化研究框架带来多大冲击？答案藏在那段被你忽略的基因上游调控序列里。
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（通讯员笙柯）近日，武汉大学生命科学学院教授赵华斌团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表题为“Convergent evolutionary shifts in AGT targeting between mitochondria and peroxisomes across mammal transitions to herbivory”（《在哺乳动物植食性演化过程中AGT酶在线粒体与过氧化物酶体间定位转换的趋同演化》）的研究论文。生命科学学院博士研究生黄晨为论文第一作者，赵华斌和英国伦敦玛丽女王大学教授Stephen J. Rossite为论文的共同通讯作者。
植食性的演化是哺乳动物多样化的关键驱动力，但动物需克服植物次生代谢产物如乙醛酸带来的挑战。丙氨酸-乙醛酸转氨酶（AGT）能将乙醛酸转化为甘氨酸，防止其积累为草酸，从而避免肾结石等疾病。前期研究表明，肉食动物的乙醛酸产生于线粒体，AGT主要靶向线粒体；植食动物的乙醛酸则产生于过氧化物酶体，AGT主要靶向过氧化物酶体。AGT通过N端的线粒体靶向序列（MTS）和C端的过氧化物酶体靶向序列（PTS1）实现亚细胞定位。
图1
研究团队通过大规模比较分析发现，在43个哺乳动物中，AGT编码基因AGXT存在非功能性MTS，其中超过80%为植食动物，如埃及果蝠因起始密码子突变等导致AGT无法进入线粒体。本研究首次记录到有袋类动物MTS功能的适应性丢失。祖先序列重建显示，PTS1在多个植食哺乳动物支系中趋同演化。细胞免疫荧光实验表明，AGT过氧化物酶体靶向效率与食物中植物比例正相关，如肉食性马铁菊头蝠靶向效率仅为5.66%，而PTS1缺失会显著降低植食动物AGT的靶向效率。即使MTS功能完备，PTS1仍能驱动AGT靶向过氧化物酶体（图1）。转录组数据分析发现，植食性哺乳动物倾向于使用下游转录起始位点。ChIP-seq和ATAC-seq数据显示，植食动物AGXT基因上游转录起始位点的染色质开放程度降低，导致AGT产生缺失MTS的mRNA，蛋白更倾向于靶向过氧化物酶体。双荧光素酶实验进一步证实，编辑上游起始位点周围的保守序列会显著降低肉食性蝙蝠AGT启动子活性。
该项研究不仅系统地阐明了哺乳动物在向食草性转变的过程中AGT的定位转换是多种机制趋同演化的结果，即转录调控、MTS突变和PTS1强化共同构建了一个灵活且稳健的演化响应系统，使哺乳动物能够快速适应多变的生态环境和食物来源。同时，该研究也打破了以往认为“PTS1仅在MTS弱化时才发挥作用”的传统认知。
该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖北省自然科学基金等项目的资助。
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