从鱼类到人类：雄激素受体中真核线性模体的进化及其功能调控机制解析

本研究聚焦雄激素受体(AR)这一关键转录因子，通过多学科交叉方法揭示了从软骨鱼类到智人进化过程中，真核线性模体(ELMs)、同源重复序列(HReps)和翻译后修饰位点(PTMs)的演化规律。研究人员发现LBD结构域中保守的LxxLL模体对配体结合至关重要，并鉴定出S792这一古老的抑制性磷酸化位点，为理解类固醇激素受体家族的功能调控提供了新视角。该成果发表于《Nucleic Acids Research》，对男性生殖发育和前列腺癌等疾病研究具有重要启示。

　　

在脊椎动物进化长河中，雄激素受体(Androgen Receptor, AR)作为调控雄性性别分化、性征发育和生殖功能的核心转录因子，其结构和功能的保守性一直是个迷人的科学谜题。尽管从软骨鱼类到哺乳动物的AR都保留着结合雄激素的基本能力，但不同物种间N端结构域却展现出惊人的序列变异。这种变异与功能保守性如何共存？哪些关键分子特征在亿万年进化中被严格保留？这些问题对理解性别决定机制的演化及男性生殖系统疾病的发生至关重要。

意大利帕多瓦大学(University of Padova)生物医学系的研究团队联合多个国际机构，在《Nucleic Acids Research》发表了一项突破性研究。他们通过分析536种脊椎动物的AR序列，结合分子动力学模拟(Molecular Dynamics, MD)和细胞生物学实验，系统描绘了AR中真核线性模体(Eukaryotic Linear Motifs, ELMs)的进化图谱。研究发现，虽然N端同源重复序列(HReps)在哺乳动物中显著扩展，但某些关键功能模体从鱼类到人类都惊人地保守。

研究采用了多项关键技术：1) 大规模序列比对分析涵盖10纲软骨鱼类至哺乳动物；2) SWISS-Model和AlphaFold3进行三维结构预测；3) 分子动力学模拟解析LBD结构域折叠路径；4) 双荧光素酶报告系统评估转录活性；5) 免疫印迹和免疫荧光分析蛋白稳定性和核转位。特别值得注意的是，研究者创新性地应用"棘轮-棘爪分子动力学"(rMD)方法，首次揭示了AR折叠过程中的关键中间态。

研究首先证实了AR的结构功能保守性。通过比对536个物种的AR序列，发现DNA结合域(DBD)和配体结合域(LBD)高度保守，其中DBD保守度最高。跨物种结构预测显示，从鲨鱼到人类的AR都保持着相似的二级和三级结构。功能实验证明，斑马鱼(D. rerio)和非洲鳉鱼(N. furzeri)的AR在人类细胞中仍能响应11-酮睾酮(11-KT)和二氢睾酮(DHT)激活转录。

关于HReps的进化分析揭示了有趣模式。哺乳动物AR普遍具有多聚谷氨酰胺(polyQ)、多聚丙氨酸(polyA)等多重重复序列，而鱼类AR大多缺乏polyQ，仅少数如墨西哥盲鱼(A. mexicanus)例外。两栖类开始出现LQ模体及邻近的SP磷酸化位点，到有袋类才形成典型的三段polyQ结构。值得注意的是，獾(M. meles)的polyQ长度达47Q，远超人类耐受极限(36Q)。

对功能模体的研究发现，N/C相互作用模体GxFxxLF从软骨鱼类到人类持续存在，仅在鸟类进化为GxFxxFF。更惊人的是LBD中的LxxLL模体——该模体在软骨鱼类已存在，多数硬骨鱼类进化为LxxLM，但在哺乳动物中恢复为LxxLL。实验证实，将人类AR的LxxLL突变为LxxAA后，雄激素结合能力几乎完全丧失，导致核转位和转录激活缺陷。分子动力学模拟揭示，L860和L863在折叠早期即与疏水核心形成关键接触，而L864在后期才参与稳定结构。

研究最突破性的发现是关于S792磷酸化位点的进化意义。通过rMD模拟，研究者捕捉到AR折叠过程中的三个中间态：部分解折叠状态(U)中S792暴露可被磷酸化；中间态(I1)时配体结合口袋已成形但螺旋12尚未闭合；最终形成天然构象(I2)。这种动态解释为何S792在天然结构中"隐藏"却能被激酶识别。跨物种分析显示，RxRxxSxxF模体在硬骨鱼类已出现，仅蟾蜍等少数物种进化为非磷酸化形式。功能实验证明，将斑马鱼和非洲鳉鱼AR的对应丝氨酸突变为天冬氨酸(S→D)模拟磷酸化，会显著抑制转录激活。

研究还扩展至整个类固醇激素受体家族。系统发育分析表明，FxxLF模体为AR特有，而LxxLL模体存在于所有受体及其祖先中。有趣的是，除孕酮受体(PR)外，其他受体LBD都保留着可磷酸化的丝/苏氨酸位点。雌激素受体α(ERα)的S432与AR S792位置相当，其磷酸化同样导致蛋白不稳定和转录抑制，提示这是类固醇受体家族的古老调控机制。

这项研究首次全面绘制了AR功能模体的进化图谱，揭示了几个关键发现：1) HReps的获得与哺乳动物复杂性相关；2) LxxLL模体对配体结合的结构基础；3) S792作为"分子开关"调控AR折叠的机制。这些发现不仅解释了AR在亿万年进化中如何平衡变异性与功能保守性，也为理解雄激素不敏感综合征等疾病的分子基础提供了新视角。特别值得注意的是，该研究建立的rMD模拟方法为研究其他蛋白的折叠-功能关系提供了范式，在药物设计领域具有潜在应用价值。