水稻中新型ricin-B-like结构域的发现及其系统发育分析揭示植物GH27酶独特进化路径

本研究首次在陆地植物GH27家族酶中发现并鉴定了一个独特的ricin-B-like结构域，通过HMM-BLAST、系统发育网络和结构比对分析，揭示了该结构域与经典CBM13/ricin-B超家族的进化分歧。研究为植物碳水化合物活性酶(CAZy)的功能多样性提供了新见解，并为理解植物细胞壁修饰机制开辟了新方向。

　　

在糖生物学研究领域，碳水化合物结合模块(CBM)和凝集素结构域在细胞识别、信号传导等生命过程中扮演关键角色。传统上认为CBM13家族模块与ricin-B凝集素结构域存在显著相似性，但近期研究发现植物GH27家族酶中存在一种特殊的ricin-B-like结构域，其进化起源和功能特性尚不明确。这项发表在《Carbohydrate Research》的研究，由Tibo De Coninck等人揭示了这一独特结构域的系统发育地位和潜在生物学意义。

研究团队采用多学科交叉方法：通过InterPro和CAZy数据库进行结构域鉴定，利用HMM-BLAST筛选同源序列；构建序列相似性网络(SSN)分析进化关系；采用AlphaFold和Swiss-Model进行三维结构预测与分子对接；通过大肠杆菌(E. coli)重组表达和糖芯片技术验证功能。研究对象为日本水稻(Oryza sativa L. subsp. Japonica)的OsAPSE酶及其187个同源蛋白。

3.1 ricin-B-like结构域的鉴定特征

研究发现OsAPSE中的ricin-B-like结构域仅含65个氨基酸，显著短于经典CBM13/ricin-B结构域(120-130残基)。该结构域始终与N端GH27催化结构域相连，91.2%的案例中还连接C端GH-all-beta结构域。生物信息学预测显示其含有1个二硫键(Cys9-Cys55)和多个O-糖基化位点，但缺乏信号肽和N-糖基化位点。

3.2 系统发育的独特性

系统发育树和SSN分析表明，ricin-B-like结构域形成独立于CBM13/ricin-B超家族的进化分支。该结构域仅存在于陆地植物(Embryophyta)中，而经典CBM13/ricin-B结构域广泛分布于所有生物界。特别值得注意的是，ricin-B-like结构域在单子叶和双子叶植物中呈现明显的分类群特异性聚类模式。

3.3 结构差异与结合位点预测

结构比对显示ricin-B-like结构域是经典β-三叶结构的截短版本，主要与ricin的1α重复单元相似。分子对接预测了两个潜在的碳水化合物结合位点(CBS)：CBS1通过Val428/Leu430/Pro522等残基形成氢键网络，并存在芳香族残基Phe469/Phe521的π-π堆积；CBS2则依赖His454/Lys473等残基的氢键作用，但缺乏堆积相互作用。值得注意的是，这两个位点均未涉及典型的QXW或CXD结合基序。

3.4 功能验证的挑战

尽管通过大肠杆菌BL21(DE3)成功表达了TRX-His₆标签融合蛋白，但糖芯片分析未检测到与155种测试糖结构的结合活性。研究人员推测这可能与重组蛋白缺乏天然二硫键或翻译后修饰(PTM)有关，也可能反映该结构域特异性识别未被包含的植物特异糖类(如阿拉伯糖)。

这项研究系统揭示了植物GH27酶中ricin-B-like结构域的独特进化轨迹，提出了其作为CBM13/ricin-B超家族"截短变体"的结构假说。尽管碳水化合物结合功能尚未完全证实，但该发现为理解植物细胞壁降解酶的模块化进化提供了新视角。特别值得注意的是，ricin-B-like结构域与GH27/GH-all-beta结构域的固定组合模式，暗示其在植物多糖代谢中可能发挥特异性作用。未来研究可通过真核表达系统或植物原生质体表达，进一步验证该结构域的精确功能和生物学意义。