细菌核糖体生物发生的进化灵活性：候选门辐射细菌揭示最小组装机制

《Molecular Biology and Evolution》：Evolutionary Flexibility of Ribosome Biogenesis in Bacteria

本研究针对核糖体生物发生因子(RBFs)在细菌进化过程中的保守性难题，通过对30,000余个细菌基因组的系统性分析，发现候选门辐射(CPR)细菌的RBFs数量仅为非CPR细菌的一半。关键RBFs如Der、ObgE和RbfA在CPR中的保守率仅20%-70%，且核糖体RNA结构改变与RBFs缺失存在共进化关系。该研究揭示了核糖体组装过程的进化可塑性，为最小细胞构建和生命起源研究提供了新范式。

　　

在生命的微观世界里，核糖体如同精密运作的蛋白质合成工厂，其组装过程需要数十种生物发生因子协同工作。传统观点认为这一过程在细菌界高度保守，但近年来发现的候选门辐射细菌却展现出令人困惑的特征——这些拥有极小基因组和细胞体积的微生物，其核糖体结构存在大量异常缺失。这不禁让人好奇：它们是如何用精简的"工具包"完成核糖体这一复杂机器的组装？

为了解答这一谜题，日本理化学研究所先锋研究中心的地球生物学与天体生物学实验室团队在《Molecular Biology and Evolution》上发表了最新研究。他们通过对15,274个非CPR细菌基因组和505个高质量CPR宏基因组组装基因组的比较分析，揭示了核糖体生物发生过程的进化灵活性。

研究人员主要采用基因组比较分析、系统发育重建、主成分分析和互信息计算等方法。通过GhostKOALA和KEGG自动注释服务器对蛋白质序列进行功能注释，使用CheckM2评估基因组完整性，利用Infernal的cmalign预测rRNA二级结构，并通过W-IQ-TREE构建系统发育树。

核糖体生物发生因子在细菌中的分布特征

研究发现CPR细菌中RBFs的中位数仅为25个，显著低于非CPR细菌的50个。这一差异在系统发育分布上呈现明显规律，其中14个在非CPR细菌中高度保守的RBFs在CPR中保守率大幅下降。

CPR细菌中RBFs的类特异性基因分布

关键RBFs基因在CPR不同类群间呈现互补分布模式。例如，负责50S亚基成熟的ObgE和Der在ABY1类群中呈现"有Der无ObgE"的特征，而在Paceibacteria等四类中则相反。这种分布模式表明CPR细菌可能通过不同的分子策略适应RBFs的缺失。

Der作为RBFs和RPs异常分布的关键因子

主成分分析和互信息网络分析均表明Der在CPR核糖体生物发生中占据核心地位。Der与核糖体蛋白uL1、核糖核酸酶YqgF以及多种修饰酶存在强关联，其互信息累计边权重在所有RBFs和RPs中最高，提示其在维持组装网络稳定性中的关键作用。

rRNA结构与RPs和RBFs的共进化

对rRNA二级结构的分析发现，CPR细菌中16S rRNA的H12、H58和23S rRNA的H78等螺旋明显缩短。特别值得注意的是，H78螺旋的长度变化与Der和uL1的分布存在显著相关性，三者共同构成了核糖体L1柄区的动态结构基础。

CPR细菌与共生/寄生细菌的比较

与同样具有精简基因组的共生/寄生细菌相比，CPR细菌的RBFs缺失模式具有独特性。虽然两者基因组大小相近，但CPR在ObgE、Der、RbfA和Era等核心RBFs的保守率显著更低，表明其RBFs缺失模式反映了早期进化特征而非近期基因组精简。

研究结论表明，CPR细菌通过结构适应性改变（如rRNA螺旋缩短）、内含子辅助折叠等机制补偿RBFs缺失带来的组装效率损失。这种精简的核糖体生物发生系统挑战了传统认知，为理解生命早期进化提供了新视角。特别是Der作为关键节点因子的发现，揭示了核糖体结构与生物发生过程在进化中的紧密偶联。该研究不仅拓展了对细菌多样性的认识，也为合成生物学中最小细胞的设计提供了进化依据。