系统发育和结构分析表明，Cdc2样激酶（CLKs）是调控热敏感剪接过程的古老因子

《Journal of Cancer Policy》：Phylogenetic and structural analyses reveal Cdc2-like kinases (CLKs) as ancient regulators of thermo-sensitive splicing

CLK家族进化与功能适应研究：通过系统发育分析、结构比较和互作网络揭示其在真核生物中调控剪接的温度敏感性机制。研究整合了149个CLK同源蛋白的系统发育分析，发现其起源于共同祖先并呈现物种特异性基因 duplications/losses。结构比较显示激酶域高度保守，但激活域的组氨酸残基变异导致温度敏感性差异。互作网络分析表明CLK通过磷酸化SR蛋白调控剪接，其功能在真核生物中高度保守，但具体适应机制因物种而异，如两栖动物中CLK调控昼夜节律，爬行动物中通过温度依赖性剪接实现性别决定。

　　
Cdc2-like激酶（CLKs）作为调控真核生物前mRNA剪接的关键分子，其进化历程与功能多样性备受关注。本文通过整合系统发育分析、蛋白质互作网络和结构比较研究，揭示了CLKs在真核生物中从原始祖先到复杂多细胞生物的演化轨迹，以及其在温度适应性调控中的核心作用。

### 一、系统发育与基因进化特征
1. **真核生物起源与基因扩张**
研究发现CLKs可追溯至真核生物共同祖先（LECA），其基因家族在多细胞生物中经历了三次关键扩张事件：
- **脊椎动物前分支的首次扩张**（约5亿年前）：CLK2基因复制产生CLK4。
- **软骨鱼类分支的二次扩张**（约3.8亿年前）：CLK2再次复制形成CLK3。
- **羊膜动物分支的最终扩张**（约2.3亿年前）：CLK4基因复制产生CLK1。

值得注意的是，哺乳动物中保留的CLK1-4四基因家族，其分化时间早于哺乳动物与鸟类物种的分化，这暗示着CLK家族在脊椎动物演化初期已形成高度特化的功能分工。

2. **单细胞真核生物的基因丢失现象**
在7个原生生物门类（包括异核生物、有丝分裂生物、硅藻等）中发现CLK基因完全丢失，其中接合菌门（如虫草菌）和鞭毛生物门（如 Trypanosoma）的基因丢失与基因组简化直接相关。特别地，微孢子虫这类高度寄生性生物的基因缺失，揭示了CLK在宿主依赖型进化中的非必需性。

3. **植物与真菌的特殊演化路径**
- **植物**：苔藓植物（如Physcomitrium patens）仅保留单个CLK基因，而被子植物（如拟南芥、桉树）通过独立重复获得3-4个CLK成员，这种扩张与陆生适应相关，可能通过增强剪接调控支持复杂发育程序。
- **真菌**：尽管Ascomycota（子囊菌）和Basidiomycota（担子菌）普遍保留单拷贝CLK，但接合菌门（如Mucor）的基因重复与功能冗余现象，暗示着环境压力下的适应性进化。

### 二、蛋白质互作网络与功能保守性
1. **跨物种互作保守性**
通过互作蛋白的跨物种映射（interolog mapping），发现92个保守的CLK互作蛋白。这些蛋白主要参与：
- **RNA剪接调控**（如SR蛋白家族成员）
- **信号转导**（包括Aurora B激酶等）
- **DNA损伤响应**（如H2AX磷酸化）

2. **功能分化图谱**
- **动物**：CLK1/4主要调控神经发育和胚胎形成，CLK2参与肌肉再生，CLK3在造血系统中起关键作用。
- **植物**：AFC1-3家族分别调控低温适应（AFC1）、开花时间（AFC2）和热量信号转导（AFC3）。
- **真菌**：KNS1（酿酒酵母）通过调控MAPK通路影响菌丝形态，LKH1（裂殖酵母）参与细胞周期调控。

### 三、结构生物学与功能适应性
1. **激酶结构核心保守性**
AlphaFold3预测显示，所有真核生物CLK的激酶结构域具有高度保守性，关键特征包括：
- **EH-LAMMERILG motifs**：与SR蛋白磷酸化位点精确匹配。
- **激活域（Activation Segment）**：该区域在温度敏感性调控中起核心作用，包含关键组氨酸残基（H574）。

2. **温度敏感性的结构基础**
- **激活域结构差异**：在嗜热红藻（Cyanidioschyzon merolae）中，激活域延伸了8个氨基酸，形成热稳定性结构。而爬行动物（如Alligator mississippiensis）的CLK4激酶通过N端柔性结构实现温度补偿。
- **N端无序结构的功能多样性**：虽然N端整体保持无序性，但真核生物的N端富含Arg-Ser（RS）富集区。哺乳动物CLK1/4通过RS重复形成同源二聚体，而植物AFCs则依赖N端构象变化调控亚细胞定位。

3. **结构变异与功能适应**
- **真菌的特殊案例**：Phaeosphaeria nodorum的CLKb因激活域缺失（H574→Y）导致完全失活，这反映了基因重复后功能分化（subfunctionalization）的典型模式。
- **原生生物的适应性调整**：Trypanosoma brucei的CLK通过整合到 kinetochore复合体中，将温度敏感性转化为细胞器稳态调控机制。

### 四、温度响应机制与生态适应
1. **负Q10效应的分子基础**
CLK激酶通过激活域构象变化实现温度逆响应。实验表明，当环境温度降低1℃时，哺乳动物CLK1/4的磷酸化活性可提升4倍。关键机制包括：
- **组氨酸-谷氨酸交换**：H574→Q突变使激活域刚性化，丧失温度敏感性。
- **N端磷酸化调节**：通过磷酸化-去磷酸化开关调控激酶活性。

2. **生态适应的分子策略**
- **极端环境适应**：嗜热红藻的CLK（LIK）通过激活域延伸（+8aa）和保守H574维持高温活性（56℃仍可工作）。
- **季节性响应**：植物AFC1在低温（4-20℃）激活，促进春化发育；AFC3在高温（24-32℃）启动热激蛋白表达。
- **表型可塑性调控**：爬行动物通过CLK1的体温依赖性剪接调控性染色体选择（如Trachemys scripta在26℃时保持雄性表型，35℃转为雌性）。

### 五、疾病关联与进化启示
1. **临床相关性**
CLKs磷酸化SR蛋白的异常会导致多种疾病：
- **神经退行性疾病**：CLK1过度磷酸化PSPH导致帕金森病相关蛋白异常。
- **癌症**：CLK2通过磷酸化HDAC1促进基因组不稳定性。
- **代谢综合征**：AFC2在糖尿病模型中通过调控β细胞分化影响胰岛素分泌。

2. **进化生物学启示**
- **基因功能冗余与选择性压力**：哺乳动物中CLK2基因在类人猿中的独立复制，可能为应对认知发育复杂性提供进化动力。
- **环境驱动进化**：CLKs的温度响应机制在变温动物中表现出更强的适应性进化压力，这与其依赖外部温度信号调控生理节律密切相关。

### 六、研究展望
1. **功能空白区探索**
原生生物中CLK基因的完全丢失提示可能存在替代调控网络，如非 CLK依赖的剪接因子互作模块。

2. **结构动态研究**
需要结合冷冻电镜和分子动力学模拟，解析激活域构象变化与温度敏感性的动态关系。

3. **跨物种调控网络**
建议通过CRISPR-Cas9技术构建跨物种 CLK突变体，特别是原生生物与真核动物的模型系统。

该研究为理解真核生物剪接调控的进化基础提供了全新视角，同时也为开发基于CLKs的温度响应疗法（如热休克蛋白诱导癌症免疫治疗）奠定了理论基础。未来研究需结合多组学数据和进化基因组学，深入解析CLK家族在真核生物复杂适应性进化中的分子机制。