氨酰-tRNA合成酶结构域的进化研究

氨酰-tRNA合成酶(Aminoacyl-tRNA synthetases, aaRS)是一类在蛋白质生物合成中具有重要作用的酶，它可以活化氨基酸，并与相应的tRNA相识别，使得基因序列能够被精确的翻译成蛋白质序列，保证了生命体的严谨性和多样性。通常，每一类aaRS都包含有一个催化核心结构域(Catalytic central domain, CCD)和一个结合反密码子的结构域(Anticodon-binding domain, ABD)。大量研究显示，细菌与真核生物中的许多aaRS在一些细菌与真核生物中的基因进化机制与模式、氨酰化途径、结构与功能的进化模式等方面往往有着明显的差异。通过对这些差异的深入研究，对于理解蛋白质的结构、功能的进化将是非常有帮助的。虽然，造成这些差异的本质，目前仍不清楚，但是，所有的这些差异似乎提示，在细菌与真核生物的一些基本生命活动过程中的某些方面，可能还存在着目前尚未被人们所认识到的较大差异。 甘氨酰-tRNA合成酶(Glycyl-tRNA synthetase，GlyRS)在基因组中存在着两种寡聚体形式，即α2β2四聚体和α2二聚体。本研究的结果显示，四聚体和二聚体GlyRS的ABD并不同源，而它们的CCD却具有共同的起源。在进化过程中，由于基因的融合，二聚体GlyRS的ABD融合到α亚基上CCD后的C-末端，而四聚体GlyRS的ABD则加在了β亚基的C-末端。通常，同一物种中只存在一种寡聚体形式的GlyRS，但是在Magnetospirillum magnetotacticum基因组中同时存在GlyRS的两种寡聚体形式，并有多个同源的结构域，而这些同源的结构域很可能来源于不同的基因组。二聚体GlyRS存在于细菌、古细菌和真核生物中，而四聚体GlyRS仅在大多数细菌中发现。在从细菌到真核生物的进化过程中，GlyRS可能经历了一个复杂的进化历程。频繁的基因丢失和获得事件导致了GlyRS分布的差异。水平基因转移是四聚体GlyRS进化的一个主要因素。大量的细菌基因水平转移导致四聚体GlyRS基因可在植物中表达，而在动物中形成假基因。 通常，由于aaRS-I和aaRS-II具有不同的结构和催化机制，它们被认为在进化上没有联系。虽然，苯丙氨酰-tRNA合成酶(phenylalanyl-tRNA synthetase, PheRS)属于aaRS-II，但它的催化机制却类似于aaRS-I。结构域的进化分析表明，细菌、古细菌和真核生物的PheRS具有明显不同的结构，因而导致从细菌到真核生物的进化过程中，PheRS和 tRNAPhe间的识别机制发生了变化。序列分析表明，PheRS的结构域(包括CCD、ABD及其它结构域)与aaRS-I的某些结构域同源，因此，在进化上，PheRS是aaRS-II与aaRS-I之间联系的纽带。这些结果表明，在进化的过程中，aaRS-I和aaRS-II可能是由同一个共同的祖先CCD经过可变剪接和插入演化而来的，结构域间的不同组合导致aaRS-I和aaRS-II在结构和催化机制上的显著差异。