昆虫中金属羧肽酶E的基因丢失倾向由其结构多样性和金属羧肽酶D更广泛的表达所塑造，而非其功能重要性

基因缺失是一种普遍现象，塑造着基因组进化；然而，决定为何某些基因会反复丢失而其他功能相关基因却得以保留的因素，仍然知之甚少。我们以肽加工金属羧肽酶——羧肽酶E（CPE）和羧肽酶D（CPD）为研究对象，对这一问题进行了探讨。这两种保守的旁系同源基因对神经肽成熟至关重要，但其进化命运却显著不同：cpe基因在两个主要昆虫谱系中独立丢失，而cpd/svr则普遍得以保留。通过结合甲虫赤拟谷盗（Tribolium castaneum）的基因系统发育分析与功能遗传学研究，以及在果蝇（Drosophila melanogaster）中的跨物种拯救实验，我们发现，尽管在结构、生物体重要性及表达模式方面存在显著差异，CPE和CPD仍保留了部分可互换的酶学功能。与预期相反，在赤拟谷盗中，cpe对存活和发育稳健性的作用比cpd/svr更为关键；而同时通过RNAi下调这两个基因则导致幼虫完全致死，表明二者仅具有部分功能冗余。此外，甲虫CPE可部分挽救果蝇CPD缺失所致的致死表型，确立了在约3亿年的昆虫进化过程中保守的分子可互换性。基因系统发育分析进一步表明，双侧动物CPE起源于祖先CPD第二催化结构域的重复。综合而言，我们的结果表明，昆虫cpe的反复丢失不能用其功能重要性降低来解释。相反，我们提出，CPD的结构可塑性、更广泛的组织分布及多功能性，包括其多结构域架构和剪接异构体，使其能够在基因丢失后补偿CPE功能，从而在昆虫进化过程中塑造了基因保留与丢失的长期模式。

基因丢失是一种广泛存在的现象，塑造了基因组进化，然而，决定为何某些基因会被反复丢失，而其他功能相关基因却得以保留的因素，仍然知之甚少。我们以肽加工金属羧肽酶羧肽酶E（CPE）和羧肽酶D（CPD）为研究对象回答这一问题；这是一对保守的旁系同源基因，对神经肽成熟至关重要，但其进化命运却显著不同：cpe基因在两个主要昆虫谱系中均独立丢失，而cpd/svr则普遍得以保留。我们结合了龟甲虫Tribolium castaneum中的基因系统发育分析与功能遗传学研究，以及在果蝇Drosophila melanogaster中的跨物种拯救实验，表明尽管在结构、生物体重要性和表达模式上存在显著差异，CPE和CPD仍保留了部分可互换的酶学功能。与预期相反，cpe在Tribolium中的生存和发育稳健性方面比cpd/svr更为关键，而同时通过RNAi下调这两个基因会导致幼虫完全致死，表明二者仅具有部分功能冗余性。此外，甲虫CPE可部分拯救果蝇CPD的致死性缺失，确立了跨越约3亿年昆虫进化历程的保守分子可互换性。基因系统发育分析进一步表明，双侧动物的CPE起源于祖先CPD第二个催化结构域的复制。综合来看，我们的结果表明，昆虫cpe的反复丢失不能用其功能重要性降低来解释。相反，我们提出，CPD的结构可塑性、更广泛的组织分布及多功能性，包括其多结构域架构和可变剪接异构体，使其能够在cpe基因丢失后对CPE功能进行补偿，从而塑造了昆虫进化过程中基因保留与丢失的长期模式。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.05.742955v1?rss=1

🏷️ 金属羧肽酶E 金属羧肽酶D 基因丢失 昆虫进化 功能冗余 神经肽成熟