邹征廷团队提出氨基酸理化性质趋同（CAAP）作为适应性趋同演化分子基础

　　

在演化生物学中，趋同演化是指不同生物类群在相似环境压力下独立演化出同一性状的现象。为了挖掘这种适应性演化的分子基础，目前的比较基因组学研究多关注于氨基酸“状态趋同”，即不同物种在相同的蛋白序列位点独立演化出相同的氨基酸。然而，氨基酸之间的理化性质差异有大有小，不同氨基酸若具有相似理化性质，也可能实现相似的蛋白功能。因此，传统的仅关注状态趋同的方法可能忽略了这一类重要的适应性趋同信号。

近日，邹征廷团队在分子进化与生态适应研究领域取得进展，提出了“氨基酸理化性质趋同”（Convergence of Amino Acid Properties,CAAP）的新概念，并开发了相应的计算方法，系统揭示了氨基酸理化性质的趋同现象可能是生物适应性功能趋同的重要分子基础。该研究成果以“Detecting Convergence of Amino Acid Physicochemical Properties Underlying the Organismal Adaptive Convergent Evolution”为题发表于期刊《分子生态资源》（Molecular Ecology Resources）。

理化性质差异小的保守氨基酸替换对蛋白功能的影响有限，由适应性演化驱动的概率较小；而差异大的氨基酸替换能在不同演化分支中发生，更有可能是适应性功能趋同演化的结果。为此，研究团队系统构建了CAAP检测流程，将20种氨基酸按理化性质相似性划分为不同类别，把同一个类别看作一个“氨基酸状态”，只关注类别之间的氨基酸变化。团队基于多种现有趋同检测方法进行改进，使其能够识别CAAP位点。研究团队将这些方法应用于三类经典的适应性趋同案例：回声定位哺乳动物（蝙蝠与齿鲸）、海洋哺乳动物（鲸类、鳍足类、海牛）和红树植物。

研究结果显示，在回声定位哺乳动物中，CAAP方法不仅识别出多个已知与听力功能和回声定位相关的基因（如SLC26A5、PIEZO2等），还通过显著基因的功能富集分析和正选择检测发现了一批新的候选基因，文献检索表明这些基因与听觉功能相关。在海洋哺乳动物中，CAAP方法识别出多个与肺细胞外基质（ECM）组成相关的基因，提示呼吸系统可能存在针对水下环境的适应；而在红树植物中，CAAP基因富集于磷脂酰肌醇信号通路和蛋白磷酸化过程，这些通路在植物应对高盐、高温等逆境胁迫中发挥作用，可能与红树植物适应潮间带环境有关。

尤为重要的是，与随机分组或仅关注状态趋同的方法相比，CAAP方法在多个案例中显示出更高的功能相关性和适应性信号强度，表明其能有效过滤中性保守氨基酸变化这一噪音，捕捉到更具功能意义的氨基酸理化性质变化。该研究首次系统提出并验证了“氨基酸理化性质趋同”作为适应性趋同演化的潜在分子机制，丰富了领域内对分子层面趋同现象的理解，并为今后在更广泛物种中探索适应性演化的遗传基础提供了新思路和新工具。

相关代码与方法已开源发布在GitHub平台（https://github.com/shanschen33/CAAP），供学界使用和进一步开发。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1111/1755-0998.70052