果蝇 Bam 和 Bgcn 序列及蛋白结构演化的比较分析：解开生殖奥秘的关键钥匙

《Journal of Molecular Evolution》：Comparative Analysis of Drosophila Bam and Bgcn Sequences and Predicted Protein Structural Evolution

为探究果蝇 bam 基因功能及蛋白结构在不同物种间的差异，康奈尔大学研究人员对 D. melanogaster、D. simulans、D. teissieri 和 D. yakuba 的 Bam 和 Bgcn 序列及蛋白结构进行研究。结果发现，虽序列差异大，但结构保守。这为理解 bam 基因进化及功能差异提供依据。

　　在神秘的生命繁衍领域，果蝇作为经典的研究模型，一直为科学家们揭示着许多生命奥秘。在果蝇的生殖过程中，生殖干细胞（Germline Stem Cell，GSC）的分化至关重要，它决定着配子的产生，进而影响着物种的繁衍。而 bag of marbles（bam）基因，在这一过程中扮演着关键角色。在模式生物黑腹果蝇（D. melanogaster）中，bam 基因编码的蛋白质能与 benign gonial cell neoplasm（bgcn）基因产物结合，推动 GSC 子代分化，在雌雄果蝇的生殖过程中都不可或缺。然而，令人困惑的是，bam 基因在不同果蝇物种间，无论是序列还是功能，都存在着巨大差异。一些与黑腹果蝇亲缘关系较近的物种，其 bam 基因的氨基酸序列差异明显，甚至在某些物种中，bam 基因对生殖的作用也发生了改变，比如在 D. teissieri 中，bam 基因对 GSC 分化并非必需。这种差异背后的原因是什么？bam 基因的蛋白结构在不同物种间是否也发生了相应改变？这些问题亟待解决，它们对于深入理解果蝇生殖演化机制至关重要。

为了揭开这些谜团，来自美国康奈尔大学（Cornell University）的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于 D. melanogaster、D. simulans、D. teissieri 和 D. yakuba 这四种果蝇，通过对它们的 Bam 和 Bgcn 序列及预测的蛋白结构进行比较分析，试图找出基因序列、蛋白结构与功能之间的关系。研究成果发表在《Journal of Molecular Evolution》上，为该领域的研究提供了重要的参考依据。

研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。首先，通过相互 BLAST 最佳命中（reciprocal Basic Local Alignment Search Tool best hit，RBBH）从 NCBI 参考基因组中准确筛选并提取出四种果蝇的 Bam 和 Bgcn 氨基酸序列。接着，利用 PRANK、Clustal Omega 和 MUSCLE 等工具进行多序列比对。然后，借助 ColabFold v1.5.5:AlphaFold2 及 MMseqs2 预测 Bam、Bgcn 的蛋白结构和 Bam:Bgcn 复合物结构。此外，还运用了 ADOPT 网络服务器、ChimeraX 软件等进行蛋白结构分析。

下面来看具体的研究结果：

• 果蝇 Bam、Bgcn 及 Bam:Bgcn 复合物的 AlphaFold 预测：研究发现，黑腹果蝇的 Bam 蛋白部分无序，有有序区域；Bgcn 蛋白则大多有序且紧密堆积。Bam 有六个功能区域，如 CAF40 结合基序、Bgcn 结合区域等；Bgcn 有四个生化鉴定区域，包括 Bam 结合区域等。预测的 Bam:Bgcn 复合物结构显示，Bam 围绕着更有序的 Bgcn 结合。
• 结构和位置预测的置信度：通过预测局部距离测试（predicted local distance test，plDDT）、预测对齐误差（predicted alignment error，PAE）和 ADOPT 分数评估结构预测的置信度。结果表明，四种果蝇的 Bam 和 Bgcn 在置信区域的结构预测没有显著差异，且区域置信度与生化推断的功能区域基本一致。
• 结构差异评估：对蛋白结构置信区域的预测二级结构和位置差异进行评估，发现 Bam 未结合时、Bam:Bgcn 复合物在四个物种间均无显著结构差异，Bgcn 未结合时有一些结构差异但不具有物种特异性，结合 Bam 时在 D. teissieri 有少量物种特异性差异。同时，四种物种间预测的氢键和 AlphaFold 接触点也无显著差异。
• 物种间氨基酸序列差异：四种果蝇的 Bam 氨基酸序列差异在 9% - 26% 之间，Bgcn 氨基酸序列差异较小。Bam 在有序区域的序列保守性较高，但有两个小区域序列差异较大；Bgcn 序列变异性较低。通过对氨基酸变化的分析，发现部分氨基酸变化存在显著差异，但没有与 D. teissieri 功能差异特异性相关的变化。

综合研究结果和讨论部分，研究人员发现，尽管四种果蝇的 Bam 和 Bgcn 氨基酸序列差异显著，但预测的蛋白结构却高度保守。这表明 Bam 结构不太可能是其在不同物种间功能差异的直接原因。研究结果符合选择、多效性和补偿（Selection, Pleiotropy, and Compensation，SPC）模型，即 bam 基因的正向选择信号可能与多种因素有关，如逃避共生菌 Wolbachia 对生殖的操纵，同时也存在补偿性氨基酸替换以维持蛋白结构。此外，bam 基因在不同果蝇物种中功能的变化，也与发育系统漂移（Developmental Systems Drift，DSD）概念相符。

这项研究意义重大，它为深入理解果蝇 bam 基因的进化和功能差异提供了重要线索，揭示了基因序列与蛋白结构在物种演化过程中的复杂关系。通过对 Bam 和 Bgcn 的研究，有助于进一步探究果蝇生殖细胞发育的调控机制，也为其他生物生殖相关基因的研究提供了参考范例，推动了生命科学领域对生殖演化机制的深入探索。