古生菌磷脂合成的系统基因组学研究

摘要

古生菌具有特殊的细胞膜，通常以含有甘油-1-磷酸的磷脂为基础，磷脂通过醚键与类异戊二烯侧链相连。由于这些磷脂与细菌和真核生物的磷脂截然不同，古菌膜(以及所有细胞膜)的起源是一个谜，需要精确的进化研究。在本文中,我们回顾一些最近phylogenomic研究显示修改后的类异戊二烯的合成前体的甲羟戊酸途径古生菌和建议这一领域使用的典型途径合成脂肪酸没有任何酰基载体蛋白、细菌和真核生物中必不可少的这个活动。此外，我们还对一些酶进行了新的或更新的系统发育分析，这些酶可能负责由其前体合成异戊二烯链，以及由甘油磷酸、类异戊二烯和极性头基合成磷脂。这些结果支持大多数这些酶可以追溯到古细菌的最后共同祖先，在许多情况下，甚至可以追溯到所有生物的最后共同祖先。

1.介绍

古生菌的核糖体RNA分子与细菌和真核生物的核糖体RNA分子不同，在20世纪70年代末被确定为一个独立的生命域[1］．当时，人们已经知道所谓的“古细菌”具有一些不典型的生化特征，其中最引人注目的是其不寻常的膜磷脂。尽管已知所有细菌和真核生物都有以脂肪酸为基础的膜，通过酯键与甘油-磷酸盐连接，古细菌似乎有由类异戊二烯链组成的磷脂，通过醚键与甘油-磷酸盐缩合[2- - - - - -6］．此外，古菌甘油醚所含sn-甘油-1-磷酸(G1P)，而细菌和真核生物含有sn-甘油-3-磷酸(G3P)(查阅请参阅[7，8])。这些差异一直是关于第一层细胞膜本质的激烈辩论的中心[9]，已经逐渐被证明不那么尖锐:醚连接脂质在真核生物中很常见(在某些动物细胞中高达25%的总脂质，[10])，以及几种嗜热细菌[11- - - - - -13];脂肪酸磷脂已在多种古菌中发现[14];相反，虽然类异戊二烯是在生命的三个领域通过非同源途径合成的，但已知它们是普遍存在的，[15];甚至磷酸甘油的立体化学也有一些例外，如最近发现的古菌样sn某些细菌中的-甘油-1-磷酸特定脂质[16]和真核核内核体[17］．

今天，由于大量的物种全基因组序列数据的积累，我们可以通过观察不同基因组中相应基因的存在或缺失来研究磷脂合成的主要途径及其例外情况。此外，这些数据可以通过比较基因组学和系统发育学的结合，即使用系统发育学方法，重建每个基因的进化史。本文综述了古生菌磷脂组分生物合成途径的系统基因组学研究成果，并提供了有关古贺菌和Morii菌中所综述的酶的一些新的进化数据[18和Matsumi等人[19很可能是由这些构造块组成的古菌脂质。

2.古菌具有异戊二烯前体生物合成的非典型途径

类异戊二烯是由异戊二烯单元及其衍生物组成的链，广泛存在于所有生物中。它们参与非常多种功能，如光合色素、激素、在电子传递链中起作用的醌类化合物、植物防御化合物等等。15，20.］．在古菌中，类异戊二烯也构成磷脂的疏水侧链[7］．类异戊二烯生物合成需要两种异戊二烯活化的前体，即焦磷酸异戊酯(IPP)和二甲基烯丙基二磷酸盐(DMAPP)，它们作为建筑部件。20世纪50年代，在酵母和动物中发现了第一个负责类异戊二烯前体生物合成的代谢途径，并根据其第一个前体命名为甲戊酸(MVA)途径。自其首次描述以来，MVA途径被认为是在所有生物体中合成类异戊二烯前体[20.，但仔细观察发现，大多数细菌中都没有这种物质[21］．20世纪90年代末和21世纪初，出现了一系列优雅的多学科方法，描述了细菌中独立的非同源途径，甲基赤藓醇磷酸(MEP)途径(见[22]审查)。MEP途径被发现广泛存在于细菌和质体真核生物中，而MVA途径被认为在古菌和真核生物中起作用[15，23］．在21世纪初，人们认为古菌类异戊二烯是通过MVA途径合成的¹⁴c标记的这一途径的中间体被证明与古菌磷脂结合[24］．然而，在古菌中只描述了真核生物途径中的两种酶[25，26］．此外，在古菌基因组中对MVA途径酶序列的搜索发现，在作用于该途径的7种酶中，大多数古菌缺乏后3种酶:磷酸evalonate激酶(PMK)、甲戊酸二磷酸脱羧酶(MDC)和异戊烯二磷酸异构酶(IDI1)，参与磷酸evalonate转化为IPP和DMAPP [27］．试图描述这些缺失的古酶揭示了两种新的酶:异戊烯酰磷酸激酶(IPK)和异戊烯酰二磷酸异构酶(IDI2) [28- - - - - -30.］．虽然还没有描述从磷evalonate合成磷酸异戊烯酯所需的脱羧反应，但随后提出了一个涉及IPK和IDI2的替代最终MVA途径存在于古菌中(图)1, (29])。

图1

sn ^＃ 古菌磷脂成分的生物合成途径。古菌甲戊酸(MVA)途径简写:AACT，乙酰乙酰辅酶a硫代酶;邮政编码,3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA合成酶;HMGR 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA还原酶;MVK,甲羟戊酸激酶;IPK，异戊基磷酸激酶;II型二磷酸异戊烯异构酶。半乳糖激酶-高丝氨酸激酶-甲戊酸激酶-磷酸戊酸激酶;IPPS:异戊二烯二磷酸合成酶(星号表示真核生物MVA途径共享的酶)。假设的古细菌脂肪酸(FA)合成途径简称:ACC，乙酰辅酶a羧化酶; PCC, propionyl-CoA carboxylase; KR-PhaB, beta-ketoacyl reductase; DH-MaoC/PhaJ, beta-hydroxyacyl dehydratase; ER, enoyl reductase; SDR, short-chain dehydrogenases/reductases. Abbreviations for the-甘油-1-磷酸合成途径:G1PDH，甘油-1-磷酸脱氢酶;DHQS 3-dehydroquinate合成酶;国民幸福指数,甘油脱氢酶;抗利尿激素、酒精脱氢酶。磷脂组装途径简写为:GGGPS， (S)-3- o -香叶酰香叶酰甘油磷酸合成酶;DGGGPS， (S)-2,3-二o香叶基香叶基甘油磷酸合酶;应用GGR geranylgeranyl还原酶;CDP双甘油酯合成酶。（)指出了GGRs在生物合成途径的不同步骤中还原异戊二烯的能力。括号之间的名称表示在系统基因组学分析的基础上假定执行特定功能的古菌酶所属的科或超科。

利用最近积累的基因组数据，我们对类异戊二烯前体合成途径进行了全面的系统基因组分析[31］．关于古菌，我们的存在与缺失分析将提出的古菌替代途径的存在扩展到广泛的古菌多样性。这些观察的主要例外是Nanoarchaeum equitans，这就解释了这种生物依赖于从它的crenarchaeal宿主那里获取脂质，Ignicoccus hospitalis［32］．在古菌中存在的MVA途径酶的系统发育重建系统地揭示了一个独立于其他生命领域的分支，代表了古菌的多样性，并普遍尊重主要的古菌分类群[31］．这些结果与最后一个古细菌共同祖先(LACA)中存在的独特的古细菌MVA途径一致，并支持不同的类异戊二烯前体生物合成途径是每个生命域的特征:真核生物中的经典MVA途径，古生菌中的替代MVA途径，细菌中的MEP途径。

古菌MVA途径的起源似乎是复合的。与经典真核生物MVA途径共享的酶也是真核生物和细菌的祖先，因此，它们可以推断存在于所有生物的最后一个共同祖先(cenancestor)中，古生菌家族可能从那里继承了它们。真核生物MVA途径的最后一种酶最有可能存在于真核生物和细菌各自的祖先中，但它们在古菌中的分布稀少且复杂:MDC的同系物可以检测到在Haloarchaea Thermoplasmatales和已确定的一些基因IDI1 Haloarchaea Thaumarchaeota,尽管他们最有可能反映最近的水平基因转移(HGT)来自细菌捐助者的事件,从他们的位置推断细菌序列中嵌套的系统发育分析(23，31］．相比之下，Sulfolobales类含有PMK和MDC同源物，它们在真核生物和细菌序列之间的中间位置强有力地分支，这表明这些序列可能是在其他古菌中丢失的祖先版本[31］．如果是这样的话，可以认为cenancestor中存在真核生物样途径(IDI功能除外，它仍不明确)。在细菌谱系中，这一途径可能被MEP途径所取代，而在古菌中，只有最后的步骤被非同源酶所取代。我们不知道推动这些变化的进化力量;然而，甲戊酸激酶(MVK)、PMK和MDC属于一个大的激酶家族，即GHMP激酶[33]，其特点是高度的结构和机械守恒，这与他们可以使用的基质范围大不同[34］．如果我们假设这些酶的祖先不是非常具体，这可能会允许一些耐受性招募进化无关的酶，不仅在古菌，而且在一些真核生物中，它们已经用非同源的PMK取代了它们的祖先[35，36］．与这一观点一致的是，古菌IPK本身似乎能够使用不同的基质[37，这可能会让替换工作变得更容易。

3.类异戊二烯链合成的早期进化

一旦异戊二烯前体IPP和DMAPP已经合成，它们仍然需要组装以形成异戊二烯链。负责这一功能的戊烯基转移酶是异戊烯基二磷酸合酶(IPPS)。由于与以前的IPPS系统发育分析相比，现在有更多的完整基因组序列可用，我们在这里提出了这些酶进化的最新调查。尽管合成多样性的类异戊二烯需要许多不同的酶，但最初的步骤在生命的三个领域中广泛共享[38］．它们由IPP单元(每个5个碳)逐步加到一个伸长的烯丙基聚异戊二烯二磷酸分子上组成。从DMAPP(5个碳)开始，连续缩合反应生成香叶基香叶基二磷酸(GPP, 10个碳)、法尼基二磷酸(FPP, 15个碳)、香叶基香叶基二磷酸(GGPP, 20个碳)等。不同的绿皮书的特点是他们接受的烯丙基的衬底(DMAPP, GPP, FPP,…)和立体化学的双键,但用于分类的主要特征是产品的大小,他们合成:它们可以短链绿皮书(~ 25个碳)或长链绿皮书(> 25个碳)。所有的IPPS都是同源的，具有共同的反应机制。短链IPPS的主要区别在于其底物结合疏水囊的大小(囊越小，最终产物越短，[38])，但点突变已被证明会对口袋的大小产生重要影响，从而影响最终产品的大小[39，40］．在古菌中已报道有类似的自然突变[41，反对仅根据某一特定IPPS的系统发育位置来推断其精确产品的可能性[41，42］．

首次发表的IPPS系统发育树[42]只使用了13个序列(其中12个是短链酶)，支持原核酶和真核酶的分离。当时，人们认为古细菌IPPS更古老，因为已知它们为几种途径提供类异戊二烯，而细菌和真核生物被认为具有更特殊的酶。后来对更多序列进行的系统发育分析显示，短链酶和长链酶的功能分裂对应于两组[41］．这是预期的，因为长链IPPS使用补充蛋白质来稳定疏水底物[38，从逻辑上讲，这将影响蛋白质结构，从而引发长链酶和短链酶之间的巨大差异。在这项工作中，短链酶根据生命的三个领域形成了三个组，这可以被认为是短链酶存在于cenancestor和它随后在现代谱系中继承的证据，包括古生菌。此外，在这种系统发育中，古菌并没有作为一个基系分支，这证明了它们先前假定的古老特征是错误的。此外，具有不同产品特性的酶在整个树中混合，支持祖先短链酶的产品可塑性，以及随后根据现代生物的生物学要求的特定特性的进化[41］．古菌长链IPPS在该研究中未被检测到，但其中一些在若干年后被纳入系统发育研究[23］．

我们从三个生命领域的348个完整基因组(包括88个古菌)中寻找了IPPS的同源物。初步的系统发育分析表明，与之前的报道一致[23，得到的序列分为两个分支，主要与产品的短链或长链特异性有关(数据未显示)。为了避免系统的构件,可以引入的高序列短期和长链酶之间的分歧,我们为每一个独立进行系统发育分析两个paralogues,我们将参考短期或长链绿皮书特征酶的主要功能。然而，如前所述[39- - - - - -41，短底物和长底物之间的底物特异性交换似乎较为常见，因此这些部分树必须主要被认为是与最广泛的生化功能相关的系统发育群，但不能确定它们所有序列的底物特异性，这只能通过生化研究来确定。在初步的短链IPPS系统发育研究中，一些真核生物同源物的长分支证明了这些序列的高度分化。由于我们在这里主要对古细菌序列感兴趣，我们从我们的分析中删除了不同的真核生物序列。数字2和补充图1(见补充资料可在网上http://dx.doi.org/10.1155/2012/630910)介绍了一些具有代表性的原核短链酶序列的系统发育。大多数古菌序列分枝成一个单系群，与主要的古菌门和古菌目基本一致，表明该酶存在于LACA中，在大多数古菌谱系中垂直遗传。根据主要的细菌分类群，大多数细菌序列也聚在一起，表明这种酶的祖先存在于最后的细菌共同祖先中，考虑到它也存在于LACA中，很可能也存在于cenancestor中。然而，从这一系统发育过程中也可以指出一些最近的hgt。关于古菌，热蛋白目，一些脱硫球菌目，一些热浆目，Methanocella paludicola和Aciduliprofundum boonei分支，因此可以调用几个hgt来解释这种模式，尽管在大多数情况下，支持是弱的，不允许确定细菌供体的身份(图)2）.

图2

利用136个代表性序列和244个保守位点重建了短链IPPS系统发育树。多分支对应于支持值<0.50的分支。三角形对应于支撑良好的细菌进化枝(括号中的数字对应于包含在这些进化枝中的序列数量)。完整的系统发育图见补充图1。

在短链酶的情况下，大多数古菌序列在我们的长链IPPS系统发育中也聚在一起，尽管广古菌序列的支持程度较弱，但可以观察到主要的古菌分类群(图)3.细菌序列也根据主要类群分组，支持细菌和古菌各自的共同祖先，因此也可能是cenancestor，具有在现代生物中继承的长链IPPS酶。与短链IPPS相反，真核生物长链IPPS的分化较小，因此在我们的分析中是保守的。令人惊讶的是，所有的真核生物序列，包括那些缺乏质体的真核生物，都作为蓝藻的姐妹群分枝在一起，除了一些藻类分枝在蓝藻组内。此外，还观察到其他一些更近期的hgt，特别是在古菌中Thermococcus属，它的分支接近一个非常不同的序列从三角洲变形菌蛭弧菌属bacteriovorus．

图3

利用218个具有代表性的序列和241个保守位点重建了长链IPPS系统发育树。多分支对应于支持值<0.50的分支。三角形对应的是古菌外支持良好的进化枝(括号中的数字对应的是这些进化枝中包含的序列数量)。完整的系统发育参见补充图2。

总的来说，这些结果支持了这样一个观点:尽管最近从细菌到古菌有一些hgt，但大多数古菌都有短链和长链IPPS的同源物，这些同源物是从LACA遗传而来的，而且很可能已经存在于cenancestor中。

4.古菌可能具有不依赖acp的脂肪酸生物合成途径

在细菌和真核生物中，脂肪酸是膜磷脂、能量储存分子、蛋白质翻译后修饰的底物、次级代谢产物以及辅酶和信使化合物的组成部分。尽管一般假设古菌脂质代谢是基于类异戊二烯，但各种实验方法表明，脂肪酸(FA)也存在于这些生物中。古菌显示出不同浓度的游离FA或其衍生物[4，24，43- - - - - -45]，这促使人们尝试从生物化学的角度来描述一种古细菌的FA合酶[46，47］．古菌FA可参与蛋白质结构[48- - - - - -50]和酰化[47]，但它们也被发现作为膜磷脂的成分存在于非常不同的广古菌中[14］．因此，在古菌基因组中检测到细菌中参与FA生物合成的几种酶的同源物就不足为奇了[8，51］．在细菌中，脂肪酸的生物合成是通过一系列循环步骤中酰基(丙二酰-辅酶a)的多次缩合而发生的。几个反应提供了FA合酶活性所必需的构建块。首先，乙酰辅酶A羧化酶(ACC)将乙酰辅酶A (CoA)转化为丙二酰辅酶A。其次，肽辅因子酰基载体蛋白(ACP)需要通过在FA合酶之间的拉长中间物的通道，必须通过ACP合酶从CoA到载脂蛋白-ACP上添加磷酸antetheine基团来激活。最后，丙二酰辅酶a: ACP转酰酶(MCAT)将丙二酰辅酶a转移到全ACP，形成丙二酰ACP。

由于还没有对古细菌FA合成酶系统的详细描述，我们最近研究了参与FA合成的细菌基因的古细菌同源物的进化。首先，许多古菌具有ACC同源物，在系统发育分析中密切相关，表明它们可能是单系起源，因此，LACA中存在这种酶[52，53］．其次，只有少数不相关的古菌种具有ACP和ACP加工机制(ACP合成酶和MCAT)，系统发育分析表明它们是通过hgt从细菌中获得的。因此，ACP及其相关酶在大多数古菌中缺失，而在LACA中似乎不存在[54］．其余参与FA合成循环步骤的酶(见图)1)，系统发育分析支持古菌序列与与CoA相连的底物上活性的细菌酶的关系更密切，而与使用与ACP相连底物的酶的关系更密切。考虑到这一点，我们提出ACP处理系统在细菌谱系中特别进化，古菌使用可能独立于ACP的古老途径进行FA合成[54］．虽然ACC存在于古菌中，但假设的古菌FA合成途径可能涉及两个乙酰辅酶a，而不是像细菌中使用丙二酰和乙酰硫酯，因为硫代酶在细菌中具有脱羧作用，而在古菌中则不具有脱羧作用[55］．

有趣的是，长期以来，人们一直不清楚细菌的FA合成途径是专门识别每个酰基- acp中间体，还是其酶随机固定这些中间体，修改正确的中间体并释放不合适的中间体。最近的研究表明，ACP通过对FA延伸周期中的每个酶采用独特的构象来实现其通道功能[56］．然而，可以合理地假定假定的acp独立机制宁愿使用中间代谢物和酶之间的随机相互作用，这可能被假定比细菌acp介导的系统效率低。尽管这仍然是推测性的，需要生化证实，acp介导机制的高效率可能解释了FA在细菌膜中的优势，而古菌可能选择了另一种祖先机制，即膜磷脂的侧链合成，即类异戊二烯[31]，将FA归入不同的细胞功能，并仅在很小程度上用于膜合成[54］．

5.用侧链连接甘油磷酸

虽然已知古菌磷脂使用G1P而不是像细菌和真核生物那样使用G3P，但最近对古菌中负责其合成的酶(G1P脱氢酶[57，58)，因为这种酶似乎与规范的G3P脱氢酶完全无关[59］．从那时起，关于古菌和细菌之间的这一明确区别的描述几乎没有什么例外(最引人注目的可能是对细菌中类似古菌的G1P脱氢酶的描述枯草芽孢杆菌, (60])，但这两种脱氢酶属于它们被吸收的大的酶超家族，这一事实为这些脱氢酶从可能是古代混杂的酶中独立起源提供了一个模型[8］．

香叶酰香叶酰甘油二磷酸和二o -香叶酰香叶酰甘油磷酸合成酶(GGGPS和DGGGPS)是古菌中随后将类异戊二烯连接到甘油磷酸的酶[18］．鲍彻等[23]发现GGGPS在古菌中广泛存在，而在细菌中，仅在杆菌类和一种拟杆菌中发现。他们还描述了一个非常不同的同源物在嗜盐古菌和Archaeoglobus．尽管这些酶存在差异，但它们的功能似乎是相同的。61］．利用更新的基因组序列数据库，我们还检索了Methanomicrobiales中差异很大的GGGPS，确认GGGPS存在于Bacillales中，并将这一观察结果扩展到Bacteroidetes的惊人多样性(补充图3)。这表明GGGPS在这两种细菌群中发挥着重要作用，事实上，它最近被证明参与了这些细菌中功能未知的古菌型脂质的合成[16］．总之，至少有一个GGGPS基因似乎存在于LACA中，而该基因的分散拷贝可能出现在更晚的广古菌群中。GGGPS可能是独立转移到各自的祖先杆菌门和拟杆菌门。

Hemmi等人[62]首次对DGGGPS序列及其超家族UbiA丙烯基转移酶家族(17个序列分支于6个不同类群)进行系统发育分析。使用目前可用的所有序列，我们检索到类似但更多样化的组(补充图4)。古菌序列集中在一个单系组合中，表明共同的祖先，尽管crenarchaeota是旁系的，可能是重建人工制品的结果。许多拟杆菌门的序列分支于crenarchaeota，反映了该细菌群的一个祖先的HGT事件。此外，一些细菌门(Chlorobi, Cyanobacteria, Chloroflexi, Planctomycetales, and some proteobacteria species)也具有ubia相关的同源物。然而，在这些细菌物种中，这些酶参与了光合作用(它们参与了呼吸醌、血红素、叶绿素和维生素E的合成[62)，很难确定这种酶在细菌中的广泛分布是由于在最后的共同细菌祖先中存在这种酶的同源物，还是由于从古菌供体中获得了这些细菌群的几个最近的HGTs。

寻找细菌甘油磷酸酰基转移酶PlsX, PlsY, PlsB和PlsC的同系物，它们将脂肪酸添加到甘油磷酸中[63，64]，在现有的古菌基因组序列中可以检索到很少的同源物，它们都很可能是由HGT从细菌供体中获得的(未显示)。

6.连接极头组

一旦两个烃链连接到磷脂主链上，添加极性头基团还需要另外两个步骤(图)1）.首先，一种酶用CDP基团取代与甘油部分相连的磷酸盐;然后，这个CDP被最后的极性头基取代，它可以是非常多样化的(甘油，肌醇，丝氨酸，等等)[18］．第一步已经在古菌中进行了生物化学描述，但执行这一功能的酶仍然未知[65］．细菌对应物是CDP双甘油酯合成酶(CdsA) [66，67］．我们寻找细菌酶的古生菌同源物，并检索了几个序列，我们使用这些序列作为对古生菌基因组进行穷尽性搜索的查询。这使得我们可以观察到这种酶在细菌和古菌中都广泛存在。我们的系统发育树显示了古菌和细菌的两个分支，每个分支的系统发育关系与主要的分类群一致(图)4）.这支持了该基因从cenancestor的垂直遗传，因此，它在LACA中的存在。然而，据我们所知，到目前为止还没有对古菌CdsA进行生物化学表征，这将需要证实这些古菌同源物是Morii等人所描述的生化活性的来源[65］．

图4

利用133个代表性序列和87个保守位点重建CdsA系统发育树。支持值<0.50的分支已经崩溃。完整的系统发育参见补充图8。

在古生菌中，两种参与极性头基连接第二步的酶已被鉴定[68，69］．这些酶属于CDP醇磷脂酰转移酶大家族，在细菌中有同源物[70］．已知该酶家族的细菌成员具有不同的特异性，以便在磷脂上添加不同的极性头基团。Daiyasu等人先前进行的系统基因组学调查[70结果表明，不同的序列根据其预测底物在系统发育树中分组。细菌序列的类群与主要的细菌分类类群基本一致。我们对一个更大的分类学样本的分析证实，这些基因的同源物在古菌中广泛存在。所有序列分为三个主要类别(数据未显示)，其中一个与添加丝氨酸作为极性头组有关[68，另一种与肌醇-磷酸转移有关[69(根据[的分类，古菌中可能也含有甘油)。70)，最后一种使用了甘油。古生菌存在于前两组，但不存在于后一组。为了避免由于极端序列差异造成的人工现象，我们对含有古菌代表的两组进行了系统发育研究。在第一种系统发育中，预测使用丝氨酸的古菌序列[68]作为底物仅限于广古菌(补充图5)。这棵树显示了一组支持不足、进化缓慢的细菌，以及几种不同的细菌、真核生物和古菌(Methanococcoides burtonii和haloarchaea)序列。这种以强烈的序列分化和HGTs为主的混合分布与系统发育的其他部分形成对比，与目前公认的主要分类类群一致。尤其可以指出一个广古菌单系群，支持这种酶可能至少存在于广古菌的最后一个共同祖先中。在第二棵树中，有一组更大的古菌酶，预计使用甘油磷酸盐或肌醇磷酸盐作为底物[69，70集群),在我们的分析使用肌醇的细菌酶,但这些细菌序列是稀缺的,似乎已经从古生菌获得高度(补充图6)。古细菌序列支持单系统的发展史Crenarchaeota几paralogues Euryarchaeota片状分布,这使得在不补充生物化学信息的情况下分析这些酶在古菌中的进化变得困难。无论如何，这种酶家族在古菌中的广泛分布强烈地表明，至少有一种酶代表已经存在于LACA中。它在Crenarchaeota中被保存，而在广古菌中则受到多次重复和新功能事件的影响，这可以解释广古菌物种中所观察到的复杂分布格局。

7.类异戊二烯链饱和

到目前为止，我们已经描述了古菌磷脂成分的主要合成和链接机制，但古菌中磷脂的多样性非常广泛[71］．古菌膜的一个重要特征是其饱和速率，因为双键对膜的稳定性有显著影响[72］．大多数古菌含有饱和磷脂和香叶酰香叶酰还原酶(GGR)，负责异戊二烯链的还原，最近在广古菌中被描述热原体属acidophilum和Archaeoglobus fulgidus和crenarchaeote硫化叶菌acidocaldarius［73- - - - - -75］．这些研究表明，古菌GGR能够利用分离的或附着在磷脂上的香叶酰基链作为底物。当GGPP被用作底物时，除了位于C2位置的键外，所有的键都被还原，从而允许磷脂的结合，但已经连接到甘油磷酸上的类异戊二烯链的所有双键都被该酶还原。因此，类异戊二烯的还原可以发生在磷脂生物合成途径的不同步骤(图)1）.

古菌GGRs与之前报道的参与叶绿素合成的蓝藻和植物GGRs同源[76，77]，在古菌基因组中已经发现了许多不同的GGR类似物，它们可以进行独立的类异戊二烯链还原[19］．我们的应用GGR发展史证实应用GGR crenarchaeota之间普遍存在至少两个paralogues euryarchaeota存在于一个广泛的多样性,尽管一些热点团体也承担补充应用GGR基因(补充图7)。这支持祖先存在至少一个应用GGR古生菌的基因,接下来是复制和高分辨率定位技术的复杂历史。GGRs也存在于许多细菌基因组中，但可以观察到几个HGTs，可能与该基因在光合作用中的功能有关，使得该基因在细菌中的最初起源不确定。在真核生物中，仅检测到含质体生物的序列，且这些序列明显分支于一组蓝藻序列中，从而支持了这些基因在真核生物中的质体起源。

8.讨论

与关于细菌细胞膜的生物化学和生物合成的令人印象深刻的知识相比，古细菌的许多方面仍然有待阐明。即使是最典型的古菌膜脂的合成，即基于类异戊二烯侧链的磷脂，仍有一些未解决的问题，如执行类异戊二烯前体合成的最后步骤所必需的磷酸evalonate脱羧酶活性的酶的身份。此外，越来越清楚的是，古菌膜包含的成分本应局限于生命的其他两个领域，细菌和真核生物。这是一个明显的例子，脂肪酸，尽管相对广泛地存在于膜磷脂的广古菌物种[14]，其合成途径很可能与细菌对应物有重要区别[54］．

比较基因组学和系统基因组学为解决这些问题提供了一种强有力的方法，特别是通过检测潜在的候选酶来实现与细菌和真核酶的相似性而缺失的酶功能。这使得我们可以提出，例如，在古菌中存在一个不依赖acp的脂肪酸合成途径[54使我们在这里提出，古细菌CdsA同源物可以携带与细菌相同的功能。这种方法也提供了证据，证明脂质膜在很久以前就已经进化了，在cenancestor [9］．因此，细菌和古菌似乎通过调节不同组分的相对重要性而使它们的细胞膜特化，而不是新的磷脂生物化学的激进发明，在古菌中类异戊二烯占据主导地位，在细菌中脂肪酸占据主导地位。然而，这些生物信息学方法有局限性，生化研究仍然是描述不同缺失活动的关键(古菌中未描述的MVA途径酶，假设的acp独立的FA合成途径，古菌CdsA的特征，以及更大多样性的CDP醇磷脂酰转移酶)，以完成古菌膜合成之谜。

9.材料和方法

从KEGG数据库(http://www.genome.jp/kegg/）.搜寻工作已用BLASTp进行[78]，根据GenBank中可用的全序列基因组列表(补充表1)。得到的序列在默认参数下与Muscle 3.6 [79］．在使用来自MUST包的NET程序进行系统发育分析之前，删除冗余和部分序列，并丢弃模糊对齐的区域[80］．利用FastTree 2.1.3采用近似最大似然方法重建系统发育树[81］．

致谢

作者感谢A. Corcelli邀请撰写本文。这项工作得到了法国国家科学研究中心和国家大学科学研究所的跨学科项目origin des Planètes et de la Vie和InTerrVie (Terre-Vie互动)以及法国国家研究机构(EVOLDEEP项目，合同编号:0000)的支持。anr - 08 - genm - 024 - 002)。J. Lombard博士获得法国研究部博士奖学金。

补充材料

参考文献

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