综述：LECA后轴丝外臂动力蛋白马达的起源与多样化

这篇综述深入探讨了真核生物鞭毛轴丝外臂动力蛋白中第三重链(HC)的进化起源与结构分化。作者结合最新基因组数据、AlphaFold建模和真核生物系统发育树(eTOL)，证实该HC亚型在Diaphoretickes共同祖先中通过β-HC基因复制产生，其独特的N端β-螺旋桨/免疫球蛋白(Ig)结构域经历了三次进化变异，显著增强了纤毛摆动的动力输出。

　　

ABSTRACT

作为真核生物关键分子马达，动力蛋白在纤毛轴丝中形成内外臂结构。最新研究表明，外臂动力蛋白中神秘的第三重链(α-HC)具有独特的进化轨迹——其马达单元与β-HC同源，但N端却演化出β-螺旋桨和免疫球蛋白(Ig)结构域的全新组合。这种结构创新使该马达能通过非经典界面与β-HC结合，显著提升纤毛运动效率。

1 Introduction

动力蛋白家族包含细胞质型、IFT型和轴丝型三大类，均存在于最后真核共同祖先(LECA)中。轴丝外臂通常含有2-3种HC马达：所有物种都保留β/γ-HC核心二聚体，但部分生物如衣藻、四膜虫还拥有第三个马达单元。冷冻电镜显示，这个额外HC通过β-螺旋桨^#1-Ig^#1-Ig^#2结构域与β-HC结合，其AAA_1-6环与β-HC具有平行进化关系。

2 Occurrence and Predicted Origin

系统发育分析将第三HC的起源锁定在Diaphoretickes分支，包括SAR、隐藻、定鞭藻和原始质体生物。与早期假说不同，Discoba类群（如Naegleria）的DHC4A虽与β-HC同源，但缺乏特征性β-螺旋桨和AAA₅磷酸化环，证实这是Diaphoretickes的特有创新。跨物种比对发现，该HC在纤毛虫中仅保留基础N端结构，而在绿藻门和隐藻门中则进化出紧邻AAA环的第二β-螺旋桨^#2。

3 Structural Diversification

AlphaFold建模揭示出三种N端变异体：

• 基础型（如四膜虫）：β-螺旋桨^#1+Ig^#1/2

• 扩展型（如衣藻）：增加完整六叶β-螺旋桨^#2

• 修饰型（如定鞭藻）：仅保留β-螺旋桨^#2的1/5/6叶片

  特别有趣的是，定鞭藻通过α螺旋稳定其"半螺旋桨"结构，这种结构精简可能与其特殊生存环境相关。该域与AAA_2/3的潜在互作，暗示其可能类似Lis1蛋白调节马达活性的机制。

4 Functional Significance

衣藻oda11突变体研究证明，α-HC缺失使游动速度降低约30%，但保留基础运动能力。该马达不仅增强动力输出，还通过AAA₅环的差异磷酸化调控左右鞭毛非对称摆动。值得注意的是，α-HC是纤毛内Lis1样蛋白锚定的必要条件，这种调控机制在应对粘滞阻力时尤为关键。

5 Bioinformatics and Structure Display

研究采用CLUSTALW比对和AlphaFold3建模，证实β-螺旋桨^#2在Cryptista/Chlorophyta中保守，但在SAR中完全缺失。这种结构分化时间点仍存争议——可能发生在Diaphoretickes基部分化时，或是在SAR与其他类群分离后独立演化。

Nomenclature

需特别注意不同物种的命名差异：衣藻的α-HC对应四膜虫的γ-HC，这种混乱源于早期SDS-PAGE迁移率的误判。统一命名体系对比较研究至关重要。

这项研究不仅厘清了轴丝动力蛋白关键组分的进化路径，更为理解真核生物运动器官的分子设计原理提供了新视角。β-螺旋桨结构域的模块化创新，展现出自然界如何通过结构域重组优化分子马达性能的精彩案例。