纤毛虫微管蛋白与肌动蛋白基因家族的谱系特异性扩张演化分析

《Molecular Phylogenetics and Evolution》：Different expansion events of the actin and tubulin gene families within spirotrichean ciliates (Alveolate, Ciliophora)

本文系统探讨了旋毛类纤毛虫中肌动蛋白（ActI/ActII）和β-微管蛋白（β-Tub）基因家族的演化规律。通过对比PCR扩增与组学数据，揭示了不同细胞骨架亚家族在相近物种中具有独立扩张轨迹，为真核生物细胞骨架的功能分化与适应性演化提供了重要理论依据。

　　

亮点

肌动蛋白与微管蛋白基因家族的不同扩张模式

DNA测序技术是生命科学研究的重要手段。早期基于PCR的桑格测序为探索纤毛虫肌动蛋白和微管蛋白基因家族的起源与演化做出了重要贡献（Barahona等，1988；Cupples和Pearlman，1986；Delgado等，1995；Díaz-Ramos等，1998；Dizick和Prescott，1999；Kim等，2004；Robinson和Katz，2007；Yi等，2012，2016；Zufall和Katz，2007）。近年来，随着纤毛虫组学数据的日益丰富，研究者越来越多地通过生物信息学方法从这些数据集中获取基因家族序列（Bright和Lynch，2020；Bright等，2017；Chen等，2021；Jin等，2023，2024；Pirritano等，2022；Su等，2023，2024；Zhang等，2023）。基于PCR产物和组学数据的研究，都为探索纤毛虫肌动蛋白和微管蛋白基因家族的起源和演化做出了重要贡献（Barahona等，1988；Kim等，2004；Su等，2023，2024；Yi等，2016；Zufall和Katz，2007）。例如，先前的研究表明，在Sterkiella nova中通过PCR扩增仅获得三个肌动蛋白基因（Actin-I，Actin-II，Actin-III）（Dizick和Prescott，1999），而在Paramecium tetraurelia中通过基因组挖掘鉴定出至少30个肌动蛋白基因（Sehring等，2007a）。这些发现表明，肌动蛋白基因的数量可能在纤毛虫物种间存在差异；然而，这种差异可能反映了真实的物种特异性变异，也可能是方法学偏倚（例如，PCR中引物的特异性限制了对基因家族成员子集的检测）所致。因此，需要使用基于PCR和基于组学的方法，从同一纤毛虫物种获取肌动蛋白和微管蛋白基因家族序列，以确定先前不同方法得到的结果是否具有直接可比性。

在本研究中，我们利用基于PCR的桑格测序技术，新扩增了六个猬纤虫（Euplotes）物种的Actin-I/II基因，以及六个猬纤虫和四个拟角毛虫（Pseudokeronopsis）物种的β-微管蛋白基因。此外，还从相应物种的基因组和转录组中检索了肌动蛋白和微管蛋白序列。我们的目标是全面重建和比较密切相关的猬纤虫和拟角毛虫中细胞骨架亚家族ActI、ActII和β-Tub的演化历史。此外，我们还评估了通过两种方法获得的序列在研究基因家族演化方面的适用性。

方法

DNA提取、PCR扩增与测序

六个猬纤虫物种，即E. aediculatus、E. encysticus、E. harpa、E. raikovi（两个种群）、E. vannus、E. woodruffi，以及四个拟角毛虫物种，即P. carnea、P. erythrina、P. flava、P. rubra，采集自中国的广东、湖北和山东省（表S1）。所有物种均在室温下于人工海水（E. raikovi、E. vannus、E. woodruffi、P. carnea、P. erythrina、P. flava、P. rubra）或双蒸水（此处原文不完整）中建立克隆培养。

旋毛类纤毛虫内部的系统基因组学关系

基于来自19个纤毛虫物种的125个直系同源基因矩阵构建了系统基因组树（图1，表S2）。旋毛纲（Spirotrichea）分为三个得到良好支持的单系群，分别对应三个亚纲（Choreotrichia, Euplotia, Hypotrichia）（图1）。猬纤虫亚纲（Euplotia）的物种位于基部位置，其后是包含游仆虫亚纲（Choreotrichia）和腹毛亚纲（Hypotrichia）的分支。在猬纤虫亚纲内部，Euplotes raikovi占据基部位置，随后是其他物种（此处原文不完整）。

肌动蛋白与微管蛋白基因家族之间的不同演化模式

DNA测序技术是生命科学领域的重要研究方法。早年基于PCR的桑格测序为探索纤毛虫肌动蛋白和微管蛋白基因家族的起源和演化做出了重要贡献（Barahona等，1988；Cupples和Pearlman，1986；Delgado等，1995；Díaz-Ramos等，1998；Dizick和Prescott，1999；Kim等，2004；Robinson和Katz，2007；Yi等，2012，2016；Zufall和Katz，2007）。近年来，随着...（此处原文不完整，翻译暂停于第二个Conclusion前）