突变如何将地下代谢途径提升为生理相关的原初通路

本研究揭示了细菌如何通过突变将原本"地下"的低效代谢途径转化为能够支持生命活动的关键通路。研究人员通过实验室进化实验，追踪了ΔpdxB大肠杆菌中PLP（吡哆醛5'-磷酸）合成通路的演变过程，发现四个关键突变逐步将一条由混杂酶组成的"地下"代谢途径转变为生理相关的原初通路（protopathway）。这项研究为理解代谢网络进化提供了独特视角，揭示了生物体如何通过"权宜之计"快速应对代谢危机，对认识生命适应机制具有重要意义。

　　

在生命演化的长河中，代谢网络的创新一直是科学家们着迷的课题。现代生物的代谢网络精密而高效，但进化过程中这些网络是如何从简单到复杂逐步建立起来的？科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的研究团队在《Molecular Biology and Evolution》上发表的研究，为我们打开了一扇窥视这一过程的窗口。

代谢网络并非完美无缺，酶的非特异性反应和代谢物的非酶促转化会导致"地下代谢"（underground metabolism）现象。这些"泄漏"反应通常对细胞无益，但在特定条件下，它们可能成为新代谢途径的起点。研究团队以缺乏PLP合成关键酶PdxB的大肠杆菌为模型，通过实验室进化实验，追踪了细胞如何通过突变将一条由混杂酶组成的"地下"代谢途径转变为能够支持生命活动的"原初通路"（protopathway）。

研究人员主要运用了实验室进化实验、群体基因组测序、生长速率测定、维生素B₆定量分析、显微镜观察和基因编辑等技术方法。通过对进化过程中存档样本的基因组测序，重建了突变积累的轨迹；通过构建所有可能的突变组合，绘制了适应性景观；利用高效液相色谱（HPLC）精确测定了PLP积累速率；并通过显微观察揭示了细胞形态变化。

复杂群体动态先于JK1的出现

通过对进化过程中存档样本的基因组测序，研究人员发现群体动态极为复杂。早期出现了三个不同的gapA突变株，随后这些菌株又获得了不同的rpoS突变。到第25代时，带有gapA和rpoS突变的菌株已占群体的68%。值得注意的是，最终主导群体的JK1菌株并非一直占据优势，而是在进化中期几乎被另一携带206kb基因组扩增的突变株超越。

受损的PLP合成损害细胞壁完整性

显微镜观察显示，ΔpdxB和gapA突变株细胞形态异常，释放大量DNA和维生素B₆到培养基中，表明PLP合成受损导致细胞壁脆弱。PLP是合成细胞壁组分所需多种氨基酸的关键辅因子。有趣的是，gapArpoSΔ3.8kb突变株虽较少裂解，却形成长丝状细胞，显示细胞分裂调控异常。

通向JK1的大多数进化轨迹是可及的

通过构建所有可能的突变组合，研究人员绘制了适应性景观。结果显示gapA突变是提升PLP合成的关键第一步；rpoS突变在群体背景下赋予"作弊"优势；Δ3.8kb缺失（包含ybhA基因）仅在gapA突变背景下显著提高生长速率；rpoC突变则在PLP合成问题解决后进一步提升葡萄糖利用效率。

gapA突变是关键的第一步

gapA编码甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH），其突变使PLP积累速率提高约3倍。这主要通过缓解SerA（3-磷酸甘油酸脱氢酶）被丝氨酸反馈抑制来实现。gapA突变降低了糖酵解通量，减少了丝氨酸合成，从而释放了SerA的活性，使其能更好地参与新的原初通路。

gapArpoS中间株是"作弊者"**

令人惊讶的是，rpoS突变实际上降低了gapA突变株的生长速率，却在群体中获得了竞争优势。研究发现这些突变株能利用脆弱亲本细胞裂解释放的营养物质。RpoS是应激反应的主要调控因子，其缺失使突变株避免了营养限制导致的生长减缓，在群体环境中获得"作弊"优势。

Δ3.8kb突变在含gapA背景中提高PLP积累速率

该缺失移除了PLP磷酸酶YbhA，防止PLP降解。在gapA突变已提高PLP合成的基础上，这一突变使PLP积累速率提高了32倍。研究还发现，Δ3.8kb缺失中的ybhA基因缺失是主要有益因素，而非最初假设的pgl基因缺失。

rpoC突变显著提高葡萄糖条件下的生长速率

该突变仅在PLP积累不再限制生长时发挥作用，使gapArpoSΔ3.8kb突变株的生长速率再提高3倍。rpoC编码RNA聚合酶的β'亚基，其突变已知能提高细菌在基本培养基中的生长效率。

这项研究揭示了代谢网络进化的复杂图景。通过四个关键突变，大肠杆菌成功地将一条低效的"地下"代谢途径转变为能够支持生命活动的原初通路。值得注意的是，进化轨迹并非总是最优的——群体中出现的"作弊"突变虽然单独培养时有害，却为后续有益突变的获得提供了机会。研究还表明，生物体在面临代谢危机时，可能会先采用"权宜之计"（如损害关键酶活性的gapA突变）快速解决问题，而非等待更优化的解决方案出现。

这项研究的意义不仅在于揭示了PLP合成通路的可塑性，更在于为理解代谢网络进化提供了范例。它表明生物体的基因组中可能潜藏着多条解决同一代谢问题的"地下"途径，而环境压力会决定哪条途径被"选中"成为显性通路。这一发现对合成生物学和代谢工程具有重要启示——通过合理设计选择压力，我们或许能引导细胞开发出自然界中尚未出现的代谢解决方案。