牙釉质基质蛋白的进化轨迹在牙齿替换减少过程中受到不成比例的影响

本研究针对牙齿替换次数减少如何影响牙釉质基质蛋白(EMPs)的分子进化这一关键问题，通过比较单次换牙的蜥蜴(Acrodonta)、多次换牙的蜥蜴(Pleurodont)和哺乳动物的6种牙齿相关蛋白(AMBN/AMEL/ENAM/AMTN/ACP4/MMP20)，发现牙齿替换减少会显著增强对结构蛋白(特别是AMEL)的纯化选择，并在单次换牙的蜥蜴与哺乳动物间产生趋同进化。该研究为理解牙齿适应性进化提供了分子层面的新见解。

　　

在脊椎动物漫长的进化历程中，牙齿作为关键的摄食和防御器官，其更新机制呈现出惊人的多样性。大多数鱼类、两栖类和爬行动物保持着终生多次换牙的能力（多牙列性），而哺乳动物和少数蜥蜴类群却独立演化出换牙次数大幅减少的特征。这种变化虽然带来了咀嚼效率的提升，却也使牙齿面临"一次性使用"的严峻挑战——如何让仅有的1-2代牙齿承受数十年的机械磨损？以往研究多关注牙齿形态的适应性改变，如哺乳动物发展出棱柱状釉质(prismatic enamel)和增厚的釉质层，而蜥蜴中的避役科(Chamaeleonidae)和飞蜥科(Agamidae)则演化出牙齿与颌骨直接融合的端生齿(acrodont)结构。然而，这些宏观适应背后的分子机制，特别是牙釉质基质蛋白(Enamel Matrix Proteins, EMPs)的进化轨迹变化，始终是未解之谜。

为揭示这一奥秘，研究人员对41种蜥蜴（包含12属24种端生齿类和9属17种侧生齿类）以及12种杂食性哺乳动物展开跨物种比较研究。通过基因组数据挖掘，他们系统分析了6种牙齿发育关键蛋白：构成釉质基质主体的AMEL（amelogenin）、AMBN（ameloblastin）和ENAM（enamelin），介导细胞-釉质黏附的AMTN（amelotin），以及参与基质加工的ACP4（acid phosphatase 4）和MMP20（matrix metalloproteinase-20）。研究采用多序列比对、选择压力分析（dN/dS）、功能分化评估（DIVERGE）和趋同进化检测（PCOC）等生物信息学方法，结合分子钟模型，全面解析了牙齿替换机制改变对蛋白进化的影响。

关键技术方法包括：1) 基于MAFFT的全长蛋白多序列比对；2) 使用PAML的codeml模块进行分支特异性选择压力分析（ω值）；3) 通过DIVERGE 3.0计算功能分化系数θ；4) 应用PCOC算法检测趋同氨基酸位点；5) 采用baseml估算核苷酸替代速率。所有分析均以Iguania下目（包含端生齿类和侧生齿类）的系统发育关系为框架，哺乳动物作为外类群对照。

研究结果揭示三个关键发现：

牙釉质基质蛋白在端生齿类中经历更强的纯化选择

选择压力分析显示，所有EMPs及AMTN在端生齿类中都表现出显著降低的ω值（AMEL：0.35 vs 侧生齿类0.60；AMBN：0.33 vs 0.46），表明单次换牙的物种对这些结构蛋白施加了更强的功能约束。这种模式在避役科中尤为突出，其AMEL的ω值低至0.26，提示该蛋白在维持终身使用的釉质结构中扮演核心角色。

功能分化主要发生在结构蛋白中

功能距离分析发现，端生齿类的EMPs累积了显著的类型I功能分化（θ=0.80±0.16），表现为位点特异性进化速率改变。避役科的AMEL表现出最强的功能革新（b_F=0.42），其分化程度甚至超过哺乳动物。值得注意的是，非结构蛋白ACP4和MMP20在各类群间保持相对保守，印证了牙齿替换改变对EMPs的"不成比例影响"。

哺乳动物与端生齿类在EMPs上呈现趋同进化

PCOC分析检测到AMEL、AMBN和ENAM在两类单次换牙物种间存在大量趋同位点（AMEL 7个，pp>0.9），这些位点共同指向釉质机械性能的优化。相比之下，仅在Uromastyx（飞蜥科）和哺乳动物中发现的棱柱状釉质，可能代表趋同进化的"终极形态"。

这项发表于《Journal of Molecular Evolution》的研究首次系统揭示了牙齿替换机制改变如何重塑牙釉质蛋白的分子进化。特别值得注意的是，占釉质基质90%的AMEL在换牙次数减少的谱系中表现出最剧烈的选择压力变化和功能革新，这与其在调控羟基磷灰石晶体组装中的核心作用相符。研究还意外发现避役科与飞蜥科虽同为端生齿类，却在EMPs进化轨迹上存在显著差异，这可能反映两者在牙齿发育模式上的微妙差别——避役科完全丧失牙胚更新能力，而飞蜥科仍保留有限的前牙替换。这些发现为理解脊椎动物牙齿的适应性辐射提供了新的分子视角，也为生物矿化材料的仿生设计提供了进化线索。