揭示深海热液古菌细菌共同祖先的代谢特征

近日，上海交通大学生命科学技术学院/微生物代谢国家重点实验室肖湘团队与自然科学研究院洪亮团队合作，以分离培养的具有古老的演化地位和独特代谢共性的深海热液超嗜热古菌和嗜热细菌为切入点，借助自主改良的深度学习AlphaFold2技术和中子散射实验，首次应用高通量蛋白结构组研究早期生命代谢，揭示了深海热液古菌细菌共同祖先的代谢特征。该研究成果以“Proteome-wide 3D structure prediction provides insights into the ancestral metabolism of ancient archaea and bacteria”为题，发表在国际权威杂志《Nature Communications》上。上海交通大学生命科学技术学院赵维殳助理研究员与自然科学研究院本科生钟博子韬为本文的共同第一作者，生命科学技术学院肖湘教授和自然研究院洪亮教授为本文的共同通讯作者。

以现有生命追溯、重建演化过程和早期生命形式是研究生命起源和演化的一种重要思路。通常，研究者会基于基因组比较来推测早期生命的代谢特征，但高可变的基因组往往难以清晰地揭示演化脉络和模式。本研究独辟蹊径，应用基于高通量AlphaFold2深度学习技术，预测了近万个蛋白分子的3D结构，引入蛋白结构组，对深海热液来源的具有相似代谢功能的古老的超嗜热古菌和嗜热细菌的代表菌株，通过对序列、结构、功能三方面进行比较分析，重构了古菌细菌共同祖先的代谢特征。令人惊奇的是，这些结构在古菌细菌中保守的代谢模块，与实验验证的前生命化学过程高度重合，这一发现为生命起源的研究提供了新视角和新方法。此外，通过中子散射实验对本研究中不同菌种的柔性系数做了定量表征，在不同生长温度范围的古菌和细菌中建立了宏观柔性和其耐热能力的关系。

图1  本研究工作流程以及 A501（古菌，红色）和 3DAC（细菌，蓝色）基本特征。建立高通量结构预测，引入蛋白结构组，比较深海热液古菌细菌在序列、结构、功能之间的异同

本研究选取了超嗜热古菌Thermococcus eurythermalis A501和嗜热代表细菌Zhurongbacter thermophilus 3DAC比较两者序列、结构、功能之间的异同。这两株菌均来自深海热液口，而深海热液区被认为是生命的摇篮之一。综合考虑两株菌株中功能相似蛋白质对的序列和蛋白结构异同，可以将蛋白质对划分到3个不同的组：(i) 具有相似结构和相似功能的直系同源序列；(ii) 具有相似结构和功能的非直系同源序列； (iii) 结构不同但功能相似的非直系同源序列。一些蛋白质对结构相似，但基因序列差异性很大，进一步证明了和序列相比，蛋白质结构和功能的关联度更大。通过将不同组的蛋白质对映射到代谢途径中，我们发现两株菌株中的蛋白质进化不是发生在单个蛋白质水平上，而是以代谢模块为单位发生的。譬如，两株菌株糖酵解的中半部分（从 DHAP 到乙酰辅酶 A）涉及的蛋白质都属于(i)组，而糖酵解和脂质生物合成连接通路上的蛋白（DHAP 到 G13P2）都属于（ii）组。以此划分的代谢模块可用于揭示蛋白质的不同来源和不同的演化历史。这在以往基于序列的分析中从未被发现。

进一步对保守蛋白结构分析揭示了细菌和古菌共同祖先（ABCA）的保守代谢模块。这些保守的代谢模块包括糖酵解的中半部分（从 DHAP 到乙酰辅酶 A）、嘌呤和嘧啶的生物合成、一些必需氨基酸（即 Asp、Glu、Ser、Gly 和 Thr）的代谢、一些必需辅因子的生物合成（即 NAD（ P)+ 和 CoA)、具有 MBH 和 MBS 的能量呼吸、大多数氨酰-tRNA 连接酶和部分核糖体蛋白等，推测它们本就存在于共同祖先ABCA中，而后被遗传给了细菌和古菌。

图2  通过蛋白结构的捉对比较，揭示古菌细菌共同祖先中的保守代谢模块，与前生命过程高度重合

有趣的是，本研究发现结构保守的代谢模块与前生命化学过程高度重合，譬如中心碳代谢的保守代谢模块与已经被证实的前生物合成途径一致性高，由现有生命推测生命起源的逆推过程与从化学反应走向生命起源的正推过程出现了交汇，同时也从侧面证明了我们通过蛋白质预测结构获得的保守代谢模块绝非巧合。

本研究首次应用高通量蛋白结构研究早期生命代谢，建立了蛋白结构组的新方法，发现蛋白的起源和演化不是孤立的而是以代谢模块为单位，保守的蛋白结构揭示了共同祖先的保守代谢模块，并首次发现结构保守的代谢模块与前生命化学过程高度重合，为祖先代谢重组和生命起源研究提供一种新的研究思路，部分验证了高通量蛋白质结构预测在生命起源和演化研究中的重大潜在价值。

本研究获得了国家自然科学基金创新群体（41921006）、青年基金（42106087）和面上项目（11974239、31630002）的支持，上海人工智能实验室、上海科委、上海教委重大项目、上海市浦江人才计划（22PJ1406900）的支持，以及上海交通大学交叉学科研究基金（YG 2016QN13）和“深蓝计划”（SL2021PT103）的支持。