解密哺乳动物鸟苷酸结合蛋白(GBP)的起源与演化：从单孔类到有袋类和有胎盘类的比较基因组学分析

为解决哺乳动物鸟苷酸结合蛋白(GBP)家族演化历史不明确的问题，研究人员开展了跨哺乳动物三大类群（单孔类、有袋类和有胎盘类）的比较基因组学研究。通过系统发育分析和基因共线性验证，发现每类哺乳动物都演化出特有的GBP基因库，首次在单孔类中鉴定出GBP8和GBP9两个独有亚型。该研究揭示了GBP家族遵循"生与死"演化模型，为理解先天免疫系统的演化提供了重要线索。

　　

在生命演化的长河中，哺乳动物发展出了复杂而精妙的免疫系统来应对不断变化的病原体威胁。其中，鸟苷酸结合蛋白(Guanylate-Binding Proteins, GBP)作为干扰素刺激基因(ISG)家族的重要成员，在细胞自主免疫中扮演着关键角色。这些蛋白质能够识别细胞内病原体，促进炎症小体激活，并直接抑制多种病毒和细菌的感染。然而，尽管GBP基因家族在人类和小鼠中已有较为深入的研究，但其在哺乳动物中的整体演化历史却仍然笼罩在迷雾之中。

近二十年来，科学家们虽然已经在灵长类、啮齿类、蝙蝠和兔形目等特定类群中取得了一些进展，但哺乳动物三大主要类群——单孔类（如鸭嘴兽和针鼹）、有袋类（如袋鼠和负鼠）以及有胎盘类（包括大多数哺乳动物）——的GBP基因演化全景仍然缺失。这个知识空白限制了我们全面理解先天免疫系统的演化历程，特别是这些关键免疫基因如何随着不同哺乳动物类群的演化路径而分化和发展。

为了解决这一重要问题，由Joao Vasco Corte-Real和Ana Pinheiro共同领导的研究团队在《BMC Biology》上发表了他们的最新研究成果。研究团队对哺乳动物GBP基因家族进行了全面的比较基因组学分析，涵盖了单孔类、有袋类和胎盘类三大类群。他们采用系统发育重建、基因共线性分析和组织表达谱检测等多种方法，揭示了GBP基因家族在哺乳动物演化过程中的复杂历史。

研究人员首先从公共数据库中收集了355个GBP基因序列，包括5种有袋类动物（代表5个不同的目）、2种单孔类动物、6种灵长类动物（包括智人）、12种啮齿动物、19种蝙蝠、兔形目动物、树鼩以及以鸡作为外类群。所有序列都包含GBP特征性的GTP结合结构域：GxxxxGK(S/T)和T(V/L)RD motif，这是GBP家族的分子签名。

通过最大似然法(ML)构建系统发育树，研究团队发现所有哺乳动物的GBP基因都共享一个共同祖先，但每个主要哺乳动物类群都演化出了特定的GBP基因库。单孔类拥有四个GBP群组，其中两个（GBP1/2/3/5和GBP4/6/7）与有袋类和胎盘类相应群组成基部位置，另外两个（GBP8和GBP9）是单孔类特有的独立群组。有袋类则有两个主要GBP群组：有袋类GBP1/2/3/5和有袋类GBP4/6/7。

基因共线性分析显示，有袋类的GBP基因由KYAT3和LRRC8B基因 flanking（侧翼），与灵长类中的模式相似。单孔类的GBP1/2/3/5和GBP4/6/7基因也形成类似的基因簇，由TSSK6和KYAT3在GBP1/2/3/5基因端，LRRC8B在GBP4/6/7基因侧翼。然而，单孔类特有的GBP8和GBP9位于不同的染色体上，彼此相距约1000 kbp，周围是完全不同的侧翼基因（GBP8侧翼为OR10A7l和APOC2，GBP9侧翼为DMRTC2和LYPD3）。

为了探究GBP8和GBP9的起源，研究人员测试了三种可能的演化假说。假设A认为GBP9和GBP8逐步嵌套在GBP1-7进化枝内；假设B认为GBP8和GBP9嵌套在更广泛的GBP1-7进化枝内；假设C认为GBP8和GBP9形成GBP1-7的姐妹群。统计检验（Shimodaira-Hasegawa(SH)和Approximately Unbiased(AU)）没有拒绝任何一种拓扑结构（所有p值>0.05），表明所有三种假说都与数据兼容。

研究人员还分析了短尾负鼠(Monodelphis domestica)和鸭嘴兽(Ornithorhynchus anatinus)中GBP的组织表达模式。在有袋类短尾负鼠的21种组织中，GBP普遍表达，其中脾脏是所有GBP均检测到表达的组织，而结肠中仅检测到有袋类GBP1/2/3/5c的表达。值得注意的是，在晚期胎儿和新生负鼠组织中均检测到了GBP转录本，这表明GBP在出生时就可为新生有袋类提供先天样免疫反应。

相比之下，在鸭嘴兽的六种组织中，GBP的表达水平远低于有胎盘类和有袋类。仅在心脏和小脑中检测到两个单孔类GBP的表达：OaGBP1/2/3/5（仅在心脏中）和OaGBP9（在心脏和小脑中）。这种表达差异可能反映了单孔类基因表达模式的特殊性。

研究还发现，单孔类GBP8在N末端具有额外的106-112个氨基酸，在C末端有一个CaaX motif（异戊烯化信号），这表明该motif可能存在于单孔类和袋鼠最近共同祖先（约1.637-1.859亿年前）中。CaaX motif的存在使得GBP1、2和5能够通过异戊烯化靶向细胞内膜，从而破坏含有病原体的液泡。

通过对氨基酸序列多样性的比较，研究人员发现每个新提出的GBP群组都有特征性的氨基酸残基，进一步支持了新的分类方案。

这项研究最终得出结论：哺乳动物GBP基因遵循"生与死"演化模型，新基因通过复制事件产生，随后可能发生功能分化、新功能化或假基因化。每个主要哺乳动物类群都演化出了特定的GBP基因库，单孔类特有的GBP8和GBP9可能获得了新的功能。GBP在先天免疫中的基本功能（如GTP酶活性和干扰素诱导性）从鱼类到哺乳动物都保持保守，表明有袋类和单孔类的GBP可能在先天免疫中具有类似作用。

该研究的意义在于首次提供了哺乳动物GBP基因家族的全景式演化历史，揭示了不同哺乳动物类群中这些关键免疫基因的独特演化路径。特别是单孔类中GBP8和GBP9的发现，为理解先天免疫系统的演化提供了新的视角。这些发现不仅丰富了我们对免疫基因家族演化的认识，也为未来研究这些基因在不同哺乳动物中的具体功能奠定了基础。研究人员建议未来应进行功能表征研究，以进一步了解单孔类和袋鼠GBP的具体功能，特别是单孔类特有GBP8和GBP9的潜在新功能。