基因融合的重复性奇迹：醛脱氢酶与醇脱氢酶在蛋白质结构进化中的趋同演化

为解决蛋白质结构趋同演化的重复性问题，研究人员针对醛脱氢酶（ALDH）与醇脱氢酶（ADH）的融合酶开展研究。通过发现独立起源的BdhE家族与已知AdhE形成相似二聚体结构单元但不同多聚体构象（螺旋聚合物与环状四聚体），揭示了基因融合后底物通道演化的趋同性，拓展了分子进化中结构重复性的认知边界。

　　

在生命演化过程中，不同物种如何独立演化出相似特征的"趋同进化"现象一直吸引着科学家们的关注。特别是在分子层面，蛋白质结构的趋同演化能够揭示自然选择如何在不同遗传背景下找到相似解决方案的深层规律。虽然蛋白质残基或功能域水平的局部趋同已有较多研究，但由基因融合引发的全局结构趋同，尤其是通过域间或分子间相互作用形成的三维结构重复性，仍存在大量未知。

醛脱氢酶（ALDH）和醇脱氢酶（ADH）作为细菌代谢中的关键酶类，为研究基因融合驱动的结构演化提供了理想模型。多数真核生物拥有独立的ALDH和ADH基因，而某些细菌则通过基因融合形成了双功能酶AdhE。这种融合酶能够形成独特的螺旋状多聚体（spirosomes），通过域间相互作用实现底物通道效应，有效防止细胞中毒性醛类中间体的泄漏，并通过类似弹簧的螺距调节机制控制酶活性。然而，是否存在其他独立起源的类似融合酶？这些酶是否也演化出了相似的结构与功能？这些问题亟待解答。

为了回答这些问题，由Naoki Konno、Keita Miyake、Satoshi Nishino等研究人员组成的团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们通过大规模基因组筛选和系统发育分析，发现了一个与AdhE功能相似但独立起源的双功能酶家族BdhE（Bifunctional dehydrogenase E），并综合运用冷冻电镜技术、分子动力学模拟和酶动力学实验，揭示了二者在结构、功能和生态分布上的异同。

研究主要采用了以下几类关键技术方法：首先通过对45,555个细菌代表基因组的序列相似性搜索和系统发育分析鉴定BdhE家族；其次利用原核表达系统纯化AdhE（源自大肠杆菌）和BdhE（源自Halomonas eurihalina）进行酶活测定（包括乙醇氧化和乙酰-CoA还原活性）；采用冷冻电镜单颗粒分析解析了BdhE的四聚体结构和AdhE的螺旋聚合物结构；通过分子动力学模拟比较了二聚体与多聚体的结构稳定性；最后基于GTDB数据库和ProkAtlas管道分析了基因分布和生境偏好性。

BdhE是独立于AdhE进化的ALDH-ADH蛋白家族

通过全基因组尺度序列筛选，研究人员发现了一类与AdhE序列相似度低于30%但覆盖度高于90%的"类AdhE"基因。系统发育分析显示，这些基因编码的蛋白（命名为BdhE）与AdhE分别形成独立分支，其ALDH和ADH结构域各自与不同的单域直系同源蛋白（AdhE的姐妹群为EutE和PduQ，BdhE的姐妹群为K00128和K00217）聚集，证实二者起源于不同的基因融合事件。

BdhE与AdhE具有相似酶活性和非重叠系统发育分布

酶动力学实验表明，BdhE与AdhE均具有乙醇氧化和乙酰-CoA还原活性，且均能催化胆碱氧化（图2a,b）。尽管BdhE反应速率较低，但二者功能相似。基因组分布分析显示，adhE与bdhE在所有高质量完整基因组中均不存在于同一物种（图2c），且其姐妹群基因分布呈现显著互补模式（P<2.22×10^-16），表明功能冗余性。生境分析进一步揭示，bdhE富集于水-土壤混合环境（如活性污泥、海洋/淡水沉积物），而adhE富集于人类肠道等人类相关环境（图2d,e）。

BdhE与AdhE演化出相似二聚体结构单元但形成不同多聚体

冷冻电镜结构解析表明，AdhE形成螺旋聚合物，而BdhE形成环状四聚体（图3a）。负染电镜进一步验证了这种结构差异（图3b）。尽管多聚体形态迥异，二者均通过ALDH与ADH结构域间的分子间相互作用形成弯曲的二聚体结构单元（图3c,d）。BdhE中更大的弯曲角度阻止了螺旋形成而促进环状闭合。分子对接模拟显示，乙醛分子可稳定存在于二者相互作用形成的隧道中（图3e,f），提示底物通道功能的趋同演化。

BdhE与AdhE通过不同loop延伸实现通道界面的趋同演化

界面残基分析显示，AdhE通过loop1和loop2介导域间相互作用，而BdhE通过非同源loop3和loop4实现相似功能（图4a,b）。多重序列比对证实这些loop结构在各自姐妹群单域蛋白中不存在（图4c），表明独立进化。分子动力学模拟表明，BdhE四聚化比AdhE六聚化带来更强的结构稳定性（RMSF降低更显著），且稳定化效应遍布整体结构（图4d-i）。

ALDH与ADH基因的基因组邻近性是独立基因融合的基础

基因组共现分析发现，AdhE和BdhE的姐妹群基因（K00132-K13921和K00128-K00217）在细菌基因组中显著邻近（图5a），且存在于功能相关的基因簇中（如细菌微区室相关基因）（图5b）。AlphaFold结构预测显示，姐妹群蛋白间不存在异源相互作用（图5c），而AdhE/BdhE的分割结构域间存在强烈相互作用（图5d），表明基因融合先于相互作用界面的演化。

本研究通过发现并表征独立起源的BdhE家族，揭示了基因融合后蛋白质结构趋同演化的新模式。研究提出三阶段演化模型：首先，功能关联的ALDH与ADH基因在基因组中邻近分布；其次，基因融合固定结构域空间邻近性；最后，通过独立延伸的loop结构演化出域间相互作用界面。这种"弹簧"（AdhE）与"环"（BdhE）的多聚体结构分异可能反映了不同生态环境对酶刚性（BdhE广布多变环境）与可调性（AdhE富集稳定环境）的选择压力。

该研究将蛋白质趋同进化研究从残基、功能域水平拓展到全局三维结构层面，揭示了基因融合事件在探索蛋白质结构空间中的重复性规律。随着冷冻电镜和AlphaFold等技术的飞速发展，对蛋白质结构宇宙中隐藏进化规律的系统探索将成为可能，为蛋白质设计和新酶开发提供新思路。