酵母新基因起源的跨膜倾向机制：非编码区polyA/T序列的关键作用

本研究破解了酵母基因组中非编码区（intergenic regions）为何富含跨膜结构域（TM domains）编码潜力的谜题。研究人员通过计算生物学方法，发现polyA/T重复序列（含polyA、polyT及TATA基序）是驱动这一现象的核心因素。这些序列不仅是核小体缺失区（NDR），更通过特定排列方式（如polyT/TATA邻近polyA）直接促进跨膜螺旋形成。该发现为"跨膜优先"（TM-first）的新基因起源模型提供了分子基础，揭示了基因组非编码区功能层面对蛋白质演化的深层影响。

　　

论文解读

在生命演化进程中，全新蛋白质编码基因如何从非编码的基因组"荒漠"中诞生，一直是进化生物学的前沿问题。酵母作为模式生物，其基因组中年轻的新生基因（de novo genes）常被发现编码跨膜结构域（Transmembrane domains, TM domains），这一现象显著高于古老基因。早期研究推测这可能与非编码区的序列特性相关——酵母非编码区富含胸腺嘧啶（T），而T对应的密码子易编码疏水氨基酸（如亮氨酸、苯丙氨酸），从而增加跨膜倾向。然而，计算分析显示，仅凭T含量无法完全解释跨膜结构域预测频率的异常富集。这一矛盾暗示着更深层的基因组密码尚未破解：是什么隐藏的序列规则，让非编码区成为跨膜蛋白的"演化摇篮"？

为回答这一问题，希腊巴斯德研究所（Hellenic Pasteur Institute）与瑞士苏黎世大学（University of Zurich）的研究团队开展了一项系统性研究。他们通过计算模拟与进化追溯，揭示了非编码区中特定重复序列基序的核心作用。该研究首先构建了6,384个人工非编码开放阅读框（iORFs），即去除终止密码子后的酵母全基因组非编码区序列，并利用跨膜预测工具Phobius将其分为含跨膜结构域（TM+，3,544个）与不含跨膜域（TM-，2,628个）两组。通过基序富集分析工具MEME，团队在TM+ iORFs中鉴定出三类显著富集的DNA基序：polyA（连续A序列）、polyT（连续T序列）和TATA（AT重复序列）。其中polyT基序在TM+ iORFs中出现频率高达64%，远高于TM-组的24%（P=1.06e-83）。

关键方法

1. 基序鉴定：使用MEME对TM+ iORFs进行DNA基序富集分析，并通过FIMO扫描验证基序位置分布。

2. 功能验证：将基序序列随机替换为G/C碱基，重新预测跨膜结构域数量，评估基序对TM形成的因果贡献。

3. 进化追溯：在28个严格筛选的非重叠新生基因及其祖先序列中搜索基序，比较酵母属物种间保守性。

4. 跨物种分析：对比真菌古老基因（n=4,477）与新生基因的基序分布差异。

研究结果

1. 基序与跨膜结构域的时空耦合

跨膜螺旋编码区（占iORFs总长34.6%）集中了78%的polyT基序核苷酸（P<1e-16）和64%的TATA基序（P<1e-16）。当基序被随机替换为G/C后，77%含polyT的TM+ iORFs跨膜域数量减少（图1B），证明基序直接驱动跨膜潜力。

2. 基序排列的"语法规则"

polyA倾向于 flanking polyT或TATA基序（图1C-D）。在含多基序的序列中，polyT/TATA与polyA的相邻布局形成特定空间构型，最大化疏水氨基酸连续编码能力。

3. 新生基因的基序"遗迹"

在28个经系统发育验证的新生基因中，75%（9/12）的跨膜蛋白编码基因含polyT基序，且基序位于跨膜螺旋附近。而在真菌古老基因中，polyT基序几乎绝迹（0.13%, P<1e-16）。

4. 基序的进化保守性

16/28个新生基因的酵母属祖先序列已存在polyT基序，且其他酵母物种同源非编码区中广泛保留该基序（21/28个基因对应区域阳性），表明基序诞生远早于基因起源。

结论与意义

本研究发现酵母非编码区富含的polyA/T重复序列具有"双重生命"：一方面，它们作为核小体缺失区（Nucleosome Depleted Regions, NDR）调控邻近基因转录；另一方面，其特定排列（polyT/TATA毗邻polyA）构成跨膜结构域演化的"预适应模板"。这种分子层面的多效性（pleiotropy）为"跨膜优先"（TM-first）的新基因起源模型提供了核心证据：新生基因从其非编码祖先处"继承"了高跨膜编码倾向，而跨膜域的细胞定位或降解信号（如C端疏水性介导的蛋白酶体降解）可能成为早期功能化的跳板。

该研究颠覆了"序列演化服务于单一功能"的传统认知，揭示基因组中同一段DNA可同时承载表观调控与蛋白质结构编码的"叠加态"潜能。这种机制或广泛存在于真核生物中，为理解基因起源的分子驱动力开辟了新路径。此外，polyA/T基序可作为新生基因的进化"指纹"，助力在更多物种中甄别真正的de novo起源事件。

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论文发表于《Journal of Evolutionary Biology》