线粒体与核基因组OXPHOS亚基的趋同进化揭示鳞龙类深层谱系分歧的分子机制

本研究针对鳞龙类(Squamata)中蛇类与鬣蜥类线粒体OXPHOS(氧化磷酸化)基因的趋同进化现象，通过56个物种的多组学分析，首次发现核基因组OXPHOS亚基(特别是COX4和NDUFA4)与线粒体亚基存在协同进化模式。研究揭示了跨基因组协同进化如何通过物理互作驱动分子趋同，为解析鳞龙类深层节点争议提供了新视角，对理解真核生物双基因组协同进化机制具有范式意义。

　　

在生命演化的长河中，鳞龙类动物（包括蜥蜴、蛇类等）展现出一个令人费解的谜题：基于线粒体基因的研究总是将蛇类与鬣蜥类（如飞蜥科）归为姐妹群，而核基因数据却支持鬣蜥类与其他美洲鬣蜥的亲缘关系更近。这种跨越1.6亿年进化历史的"基因组内战"，背后究竟隐藏着怎样的分子机制？来自意大利博洛尼亚大学等机构的研究团队在《Molecular Phylogenetics and Evolution》发表的研究，为我们揭开了这个谜底——线粒体与核基因组中共同参与能量代谢的关键蛋白，竟然在两类看似迥异的动物中独立演化出相似的解决方案。

研究人员采用多学科交叉方法：首先从NCBI获取56个鳞龙类物种的基因组数据，使用MITOS和Miniprot等工具注释线粒体OXPHOS(mtOXPHOS)和核OXPHOS(nucOXPHOS)基因；通过最大似然法和贝叶斯推断构建系统发育树；利用进化速率协变(ERC)分析评估基因间协同进化关系；采用MEME算法检测分支特异性选择信号；最后通过位点特异性似然支持度(SSLS)量化系统发育冲突程度。

"互作OXPHOS基因共享相同系统发育信号"部分揭示：线粒体数据强烈支持蛇类+鬣蜥类聚类（98.4%支持率），而核基因中与线粒体亚基直接互作的"接触型nucOXPHOS"（如COX4）同样支持该拓扑结构，其ΔSSLS值显著高于非接触亚基（p=0.000357）。这暗示蛋白质物理互作可传递系统发育信号。

"进化速率协变揭示线粒体-核协同进化"部分显示：mtOXPHOS与nucOXPHOS的进化速率相关性(ρ=0.72)显著高于随机基因对照，且接触型亚基相关性更高(ρ=0.79)。特别在蛇类和部分鬣蜥中，OXPHOS基因进化速率反而超过看家基因，暗示适应性进化压力。

"趋同进化信号"部分发现：11/13 mtOXPHOS和25/73 nucOXPHOS亚基在蛇类-鬣蜥分支间存在异常高的氨基酸趋同替换。关键亚基如COX4和NDUFA4的趋同率超出随机预期20倍，这些亚基多位于OXPHOS复合体的催化中心或调控节点。

讨论部分指出，这种跨基因组的趋同进化可能源于相似生理挑战：蛇类应对暴食-禁食循环的代谢波动，鬣蜥适应高海拔缺氧环境，二者均需优化OXPHOS功能。研究首次证实选择性压力可通过蛋白质互作网络从线粒体传递至核基因组，这种"多米诺效应"能重塑整个能量代谢通路。该发现不仅解决了鳞龙类系统发育争议，更建立了研究真核生物双基因组协同进化的新范式——当环境压力作用于多亚基复合体时，协同进化可能超越基因组界限，在分子水平创造惊人的进化趋同。