Ras 超家族蛋白的起源演化研究

Ras 超家族蛋白是真核生物中普遍存在的一类小分子GTP 结合蛋白。它们 具有高度保守的GTP 结合结构域，根据序列结构和细胞功能被分为七个家族： Sar1、Arf、SRβ、Ran、Rab、Rho 和Ras。这些蛋白分别行使着真核生物特有的 细胞功能，诸如运输小泡的形成和转运（Sar1、Arf、Rab），胞质骨架的建成（Rho）， 细胞核-胞质运输及核膜重建（Ran）等，其起源演化和真核细胞的起源密切相关。 本文利用生物信息学手段和分子生物学实验调查研究了原核生物和原生生物中 Ras 超家族蛋白同源物的存在情况，并进行了分子系统分析，对Ras 超家族蛋白 的起源演化问题进行了较为深入、系统的探讨。获得了以下结果和结论： 1）通过原核生物基因组的搜索和序列结构分析，在一些真细菌中首次鉴定 出了高度相似于真核生物Ras 超家族蛋白的原核生物同源物，且实验证明它们的 基因具有表达活性；在原细菌中的产甲烷菌和热原体中也发现有序列分歧较大的 同源物。并在更多的真细菌种类中鉴定出了更多的前人已报道的另一种小分子 GTP 结合蛋白—MglA。序列比对分析表明MglA 蛋白具有自己独特的序列特征， 与真核生物的Ras 超家族蛋白序列差异较大。进一步的分子系统分析显示：真核 生物Ras 超家族蛋白的七个家族中，Ran、Rab、Rho 和Ras 等四个家族聚在一 起，上述我们所鉴定的真细菌的Ras 超家族蛋白同源物则紧聚在其外围；真核生 物的另三个家族（Sar1、Arf、SRβ）聚成另一枝，并接着与产甲烷原细菌的的同 源物及真细菌的MglA 蛋白聚在一起。这些结果表明：Ras 超家族蛋白不是前人 所认为的为真核生物所特有，实际上在一些原核生物中就已产生；真核生物Ras 超家族蛋白的祖先也不太可能是前人所认为的为真细菌的MglA；真核生物Ras 超家族蛋白的七个家族可能有两种不同的起源：Ran、Rab、Rho 和Ras 等可能 来源于蓝细菌或蛋白菌，或二者的共同祖先，而Sar1、Arf 和SRβ 可能来源于产 甲烷原细菌，这也可能反映了真核细胞“融合起源”的历史。 2）通过搜索一些较为低等的单细胞真核生物——原生生物基因组中Ras 超 家族蛋白，并结合一系列其他处在不同进化地位真核生物的Ras 超家族蛋白进行 分析，发现Sar1、Arf、Rab 和Ran 家族的蛋白在真核生物中普遍存在，而SRβ、 Rho 和Ras 家族蛋白在有些真核生物中未找到。根据各家族蛋白在真核生物中的分布情况推测在真核生物的最近共同祖先中存在的Ras 超家族蛋白可能有下列 两种情况：（1）最近的共同祖先已经具有了所有七个家族的蛋白，并且至少有 11 个成员：1 个Sar1、1 个SRβ、3 个Arf（Arf1、Arl1、Arl2）、3 个Rab（Rab1、 Rab6、Rab11）、1 个Ran、1 个Rho（Rac）和1 个Ras（RheB）。因而，部分真 核生物中缺少SRβ、Rho 和Ras 家族蛋白很可能是因基因丢失所致。植物中Ras 家族蛋白的缺少应该是由于在进化早期，其祖先绿藻丢失了单个Ras 家族蛋白基 因所致；（2）根据Cavalier-Smith 的真核生物划分为单鞭毛（变形虫类、真菌和 后生动物）和双鞭毛（藻类、植物和除变形虫外的原生动物）两大类的分类观点， 真核生物最近的共同祖先可能只具有除Ras 家族而外的六个家族的成员，而Ras 家族蛋白则是在此两大类群分化以后在单鞭毛类生物中才产生的，多数双鞭毛类 生物如原生动物、绿藻和植物中没有Ras 的情况应该是一种祖征，而个别双鞭毛 类生物如红藻具有的Ras 家族蛋白则很可能是从单鞭毛类生物那里水平基因转 移而来的。至于SRβ 和Rho 家族蛋白在部分物种中的缺少，则还是可能因为基 因丢失所致。此外，变形虫类生物中大量的Ras 超家族蛋白提示基因组的大小或 进化地位的高低并不是Ras 超家族蛋白成员多少的决定性因素，而细胞相应生理 活动的需求才是家族成员增多的关键。