基因复制与旁系同源蛋白特化在哺乳动物PRPS复合体进化中的作用机制

研究人员针对真核生物中广泛存在的PRPS（磷酸核糖焦磷酸合成酶）多基因家族现象，通过系统进化分析和功能实验，揭示了哺乳动物PRPS复合体的异源多聚化组装规律及其代谢调控意义。该研究阐明了PRPS1/2与PRPSAP1/2的协同进化关系，发现AP1通过N端结构域驱动复合体延伸的新机制，为理解核苷酸代谢的精细调控提供了进化视角。

　　

在生命活动中，磷酸核糖焦磷酸合成酶（PRPS）催化的反应是核苷酸合成的关键限速步骤。这个古老酶类从最后共同祖先（LUCA）时期就已存在，但真核生物却演化出多基因家族这一独特现象——哺乳动物拥有PRPS1、PRPS2、PRPS3三种同工酶和两个辅助蛋白PRPSAP1/2。这种复杂性背后的进化驱动力和功能意义长期未明，特别是在PRPS突变会导致听力损失、神经发育障碍等多种人类疾病的背景下，解析其分子机制具有重要科学价值。

美国辛辛那提大学（University of Cincinnati）的研究团队通过跨物种比较基因组学发现，PRPS基因家族的扩张与Class II PRPS的丢失存在进化相关性。研究人员构建了包含NIH3T3和HEK293T细胞的等基因敲除模型，结合尺寸排阻色谱（SEC）和免疫共沉淀技术，首次证实哺乳动物PRPS以约1.5 MDa的异源多聚体形式存在。通过系统发育分析追溯出PRPSAP2起源于后生动物祖先的PRPS1基因复制事件，而PRPS2和PRPSAP1则在颌类脊椎动物二次全基因组复制（2R事件）中产生。

关键技术方法包括：1）基于100多个新注释PRPS序列的进化树构建；2）CRISPR/Cas9构建所有可行组合的基因敲除细胞系；3）ALFA标签内源pull-down验证蛋白互作；4）同位素¹³C₆-葡萄糖示踪代谢流分析；5）Seahorse线粒体压力测试评估能量代谢。

主要研究结果

PRPS基因家族的进化轨迹
比较基因组分析揭示Class I PRPS在真核生物中普遍存在多拷贝现象，而Class II PRPS的丢失与Class I扩张呈现进化补偿模式。在酵母中发现的Prs5同源蛋白具有独特的调控柔性环（RF loop）插入，与哺乳动物PRPSAP2的催化柔性环（CF loop）插入形成功能趋同。

PRPS复合体的异源组装特性
SEC显示天然PRPS复合体在不同组织中呈现异质性组装：肝脏中形成1.5 MDa全组件复合体，肾脏中则存在PRPS1/AP1/AP2（1 MDa）和PRPS1/PRPS2/AP2（<100 kDa）两种构型。免疫沉淀证实PRPS1-AP2和PRPS2-AP1存在优先配对现象，这种不对称结合模式与它们的共进化历史相关。

AP1驱动复合体延伸的分子机制
通过嵌合体实验锁定AP1的N端1-95氨基酸是促进高分子量复合体形成的关键结构域。值得注意的是，长短异构体的翻译调控决定组装命运：短AP1异构体（无29个N端氨基酸）能完全恢复复合体尺寸，而长异构体则丧失此功能。

代谢缺陷与治疗启示
PRPS2/AP1/AP2三敲除细胞表现出严重的增殖缺陷和线粒体呼吸抑制（基础OCR降低85%），即使过表达酵母NDI1（复合体I替代酶）或补充核苷酸仍无法完全挽救。同位素示踪显示这些细胞的磷酸戊糖途径通量和核苷酸合成显著降低，证实PRPS1同源寡聚体是功能缺陷的组装形式。

这项发表于《Nature Communications》的研究首次构建了PRPS复合体的"进化-结构-功能"全景图谱，阐明了基因复制如何通过剂量补偿（如Class II丢失后Class I扩张）和功能创新（如AP1获得N端延伸）塑造代谢网络。发现的组织特异性组装模式为理解PRPS相关疾病的临床异质性提供了新视角，而AP1介导的翻译调控机制则为靶向核苷酸代谢的疗法开发指明新方向。研究还揭示了真核生物中普遍存在的代谢酶多聚化现象——从酵母Prs1/Prs5到哺乳动物PRPS复合体，自然选择通过重塑蛋白互作界面不断优化代谢通路的调控精度。