古老细菌基因进化速率轨迹的深刻转变

从现存基因组重建祖先基因组谱系只能捕捉到那些得以保留的基因；而那些从记录中丢失的基因则不可见。在确实存续下来的基因中，选择压力不仅会随谱系而变化，也会随时间而变化。在本研究中，我们解析了末代细菌共同祖先（Last Bacterial Common Ancestor，LBCA）中528个基因的进化速率轨迹。我们假设，LBCA基因在细菌演化历史中将呈现出不同的进化速率轨迹，并通过解析跨越5个经校准的分类学区间（门、纲、目、科和属）的标准化分支长度，对这一假设进行了检验；这些区间涵盖了约21亿年的细菌多样化历史。进化速率轨迹的分布是连续的，但有4个聚类能够捕捉其主要模式：减速型、纲级峰值型、恒定型和加速型。减速型和纲级峰值型聚类主要由遗传信息处理基因组成，而恒定型和加速型聚类则富集代谢基因。具体而言，减速型聚类富集于核心信息处理机制，包括翻译起始因子以及表达体（expressome）的组成成分；表达体是将转录与翻译在物理上耦联起来的分子复合体，这提示转录—翻译界面在细菌演化早期便已趋于固定。辅因子依赖性与辅因子生物合成是相互解耦的：生成血红素、钼蝶呤和钴胺素等金属辅因子的生物合成通路主要集中于恒定型和加速型聚类，而在减速型和纲级峰值型聚类中，使用无机辅因子的蛋白质比例相对更高。这种偏移与大氧化事件相关的金属生物可利用性变化相一致，并揭示了细菌代谢与行星地球化学协同进化的基因组指纹。

从现存基因组重建祖先基因库只能捕捉那些得以保留的基因；那些从记录中丢失的基因则无从得见。在确实持续存在的基因中，选择压力不仅沿不同谱系发生变化，也会随时间推移而改变。

在此，我们解析了细菌最后共同祖先（Last Bacterial Common Ancestor，LBCA）中528个基因的进化速率轨迹。我们假设，LBCA基因在细菌演化史中将呈现出不同的进化速率轨迹，并通过解析五个经校准的分类学时间区间（门、纲、目、科和属）中的标准化分支长度，对这一假设进行了检验。这些区间涵盖了约21亿年的细菌多样化历史。

速率轨迹的分布是连续的，但四个聚类概括了其中的主要模式：减速型、纲阶段峰值型、恒定型和加速型。减速型和纲阶段峰值型聚类主要由遗传信息处理基因构成，而恒定型和加速型聚类则富集代谢基因。具体而言，减速型聚类富集于核心信息处理机器，包括翻译起始因子以及表达复合体（expressome）的组分；表达复合体是一种在物理上耦联转录与翻译的分子复合物。这表明，转录—翻译界面在细菌演化早期便已趋于固定。辅因子依赖性与辅因子生物合成彼此解耦：产生血红素、钼蝶呤和钴胺素等金属辅因子的生物合成途径主要集中于恒定型和加速型聚类，而在减速型和纲阶段峰值型聚类中，使用无机辅因子的蛋白质比例相对更高。这一偏移与大氧化事件所伴随的金属生物可利用性变化相吻合，并揭示了细菌代谢与行星地球化学协同演化的基因组印记。

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🏷️ 祖先基因组重建 细菌进化速率 基因进化轨迹 末代细菌共同祖先 代谢与地球化学协同进化