只靠这个就能发PNAS？！我没看错？

在你的认知里，是不是顶刊高大上的研究采用的大都是一堆名字都读不上来特别复杂高深的实验研究手段，但是有篇PNAS不一样，它全文的研究方法就只有一个，构建系统发育树，没想到吧，只靠建系统发育树就能发PNAS。这篇文章为我们展示了如何对纯数据进行挖掘就能发顶刊。做实验？不存在的！

这篇文章的主要思路整理如下：

（译者整理）

解决的科学问题及意义

剖析了影响细菌和古生菌中一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合酶（CODH / ACS）的当前分布和多样性的因素，并解决有关其祖先及其进化的问题，还为CODH / ACS的一些重要功能和生态方面的研究打开了视野。

背景

在产氧光合作用的出现以及氧在地球上积累之前，地球上的生命基本上是由厌氧微生物组成的。通过Wood-Ljungdahl途径进行厌氧固碳被认为是最古老的代谢途径，并且在现代生态系统中仍然起着举足轻重的作用。它包括两个分支，甲基和羰基分支（图1）。这种复杂的反应是通过氧敏感型一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合酶（CODH / ACS）来介导的，它是一个双功能多聚体酶。此外，CODH / ACS还可以在某些细菌和古生菌中反向发挥作用，如将乙酰辅酶A降解为CO₂和四氢甲蝶呤/四氢叶酸（H4MPT / THF），以及在古生菌中降解乳酸为3个CO₂。

五个不同的亚基构成了CODH / ACS复合体，它们的编码基因经常出现在一个基因簇中（图1 B和C）。它们中的四个在细菌和古生菌之间是同源的。在古生菌中，它们被称为CdhA（α亚基），CdhC（β亚基），CdhD（δ亚基）和CdhE（γ亚基），而在细菌中，它们各自的同系物称为AcsA（β），AcsB（α），AcsD（δ）和AcsC（γ）。此外，还有古生菌专有的一个亚基，称为CdhB（ε亚基），细菌专有的一个亚基（AcsE）。

虽然人们普遍认为CODH / ACS是大多数产甲烷菌和某些产乙酸、硫酸盐还原和厌氧细菌的特征，但在许多厌氧古菌谱系也鉴定出了该CODH / ACS亚基同系物。这表明CODH / ACS的分布范围比以前认为的更大。

在此文中，作者对CODH / ACS复合体进行了迄今为止最详尽的系统生物学分析，以了解这种古老酶复合体的起源和进化史。

图. 1 （A）WL途径的反应，该反应通过CODH / ACS酶复合体完成。（B）CODH / ACS亚基的命名和功能。（C）在细菌和古生菌中CODH / ACS基因簇同源亚基的排布，其中黄色的基因对应于同源辅助蛋白CooC和AcsF。

1. 本地数据库创建：作者创建了古菌和细菌代表基因组序列的本地数据库，囊括了NCBI上所有原核生物物种的代表基因组，还有一些从JGI/IMG和ggkbase数据库（ggkbase.berkeley.edu/）收集来的基因组。

2. 同源性搜索：从KEGG数据库中，选出Swissprot注释的细菌和古细菌中CODH/ ACS的六个亚基（CdhABCDE和AcsE）的序列，用于对细菌和古细菌的本地基因组数据库进行同源搜索（HMMer软件）。

3. 系统发育分析：上一步获得的序列数据集用MUSCLE对齐，然后使用BMGE软件进行修剪以选择对齐良好的位点。使用IQTree（TEST选项，100次自展重复）以及PhyloBayes（CAT + GTR +Γ4模型）计算单基因进化树，并折叠自展值<80％的节点。

4. 构建参考物种树：使用41个保守基因（8710-AA）的串联来构建古细菌的参考系统发育树，使用RNA聚合酶亚基（2,337-AA）的串联序列来构建细菌的参考系统发育树（PhyloBayes软件，CAT + GTR +Γ4模型）。

（主要文章思路可以翻看上面的总结）

主要结果

CODH/ ACS基因簇在细菌和古生菌中有广泛的分布和显著保守性。对CdhA / CooS同源物的系统进化分析表明，CooS基因可能在菌群中通过CdhA的复制事件而出现在细菌进化的早期，并且已经经历了广泛的域内和域间水平转移以及进一步的复制，这与先前的分析一致。CooS的广泛分布凸显了细菌和古生菌中厌氧羧化营养（Carboxydotrophy）能力的广泛性。

通过投射到古生菌和细菌的最新参考系统发育，发现CODH / ACS酶复合体簇是广泛分布的（图2）。完整且可能具有功能的五亚基酶复合体似乎是各种厌氧生态系统的新古生菌谱系的普遍特征（图2A）。此外，作者在Thaumarchaeota未培养成员的基因组中发现了完整的CODH / ACS（图2A），这表明此古菌门存在更广泛的代谢能力和生物地球化学循环作用，而在之前被认为仅通过3-羟基丙酸酯/ 4-羟基丁酸途径固定碳。

图2 映射在古生菌（A）和细菌（B）的贝叶斯参考系统发育上的CODH / ACS复合体的分布。

值得一提的是，CODH / ACS在Asgard 超门成员中（它们被认为是真核生物从中出现的古生菌进化枝）的分布很有趣，特别是在Lokiarchaeota基因组中的CODH / ACS能够说明真核生物的氢依赖性和祖先的自养能力。

与以前的报告一致，Altiarchaeales是唯一似乎始终缺乏CdhB同源物的古生菌（图2A）。由于Altiarchaeales可能会在古生菌系统发育中形成一个深分支（图2A），因此它们的四亚基簇可能代表了古生菌的祖先版本，而CdhB稍后出现。从理论上讲，CdhB亚基的作用是结合FAD作为替代电子供体或调节整个CODH反应；因此，其起源可能与古菌多样化过程中酶的进一步微调有关。

最后，Methanomassiliicoccales和Methanoflorentaceae具有几乎完整细菌型CODH簇，但完全缺乏古生菌型CODH，一些Methanomicrobiales还有的局部细菌型CdhCDE簇（图2），这可能是发挥功能的，通过CO而不是CO₂固定碳。

古生菌中CODH / ACS的进化

CODH/ ACS五个单独的亚基（CdhABCDE）的单基因树没有显示出明显的不一致性，所得到的树是与参考古生菌系统发生树大体一致，这表明该酶主要是垂直遗传，并且通过横向扩展可能使所有古生菌的祖先中获得了五个亚基CODH/ACS（CdhABCDE）。一些属于Methanomicrobiales、Methanoflorentaceae和Methanomassiliicoccales古生菌也存在细菌型CODH / ACS（图2），很可能是提供域间基因转移事件获得的。此外两个跨界的基因转移事件可能导致了祖先中CODH / ACS的替换（图3中黑色菱形）。

图3 基于古生菌型CODH / ACS的五个亚基（CdhABCDE，2,063-AA位）的系统发育树。黑色菱形表示跨界的基因转移。

细菌中CODH / ACS的模块进化

与古生菌相比，细菌中CODH / ACS的进化过程更为复杂。细菌CODH / ACS的氧化还原酶模块（CdhAC）和甲基转移酶模块（AcsE-CdhDE）显示出了不同的进化历史，但两者总体上都与参考系统发育一致（图4）。这表明在当今所有细菌的祖先中都存在五个亚单位CODH / ACS（AcsE-CdhACDE）。但是，由于最近和更古老的替换事件（图4中黑色矩形），这两个模块的演化历史仍存在一些差异。通过比较参考树和基因树以识别错位的进化枝（受体），可以推断出这些基因转移的方向。

图4 PhyloBayes贝叶斯系统发育树（A）基于两个氧化还原酶模块亚基（CdhAC,1,248AA）；（B）基于三个甲基转移酶模块亚基（AcsE-CdhDE，965AA）。

LUCA中的CODH / ACS

当前的基因组数据表明，功能性CODH / ACS复合体在细菌和古生菌中的分布比以前已知的广得多。此外CODH / ACS亚基具有惊人的保守性，并且在很大程度上是垂直遗传，这说明每个域的祖先中有很大可能存在五亚基复合体（古生菌中的CdhABCDE和细菌中的AcsE-CdhACDE），该复合体至少包含四个常见的亚基CdhACDE。尽管如此，LUCA中酶复合体的确切性质仍然有待推测，有四种可能的情况（图5）。

在第一种场景中，LUCA有现代古生菌型五亚基CODH / ACS，而细菌获取了ACSE但丢失了CdhB（图5）。

第二种情况，LUCA具有五个细菌版本的亚基，而古生菌可能获得了CdhB并丢失AcsE（图5B）。

第三种情况，LUCA具有一个六亚基的CODH / ACS，而细菌中的AcsE和古生菌中的CdhB可能发生了丢失（图5C）。

第四种情况，LUCA可能仅具有四个共同亚基（CdhACDE）的复合体版本，而特定的古生菌（CdhB）和细菌（AcsE）亚基是随后获得的（图5D）。

此外，CODH / ACS在很久之前就存在并不能说明LUCA的生活方式。原始的CODH / ACS可能无法固定碳，只能进行异养分解代谢（如古生球藻），它也可能在特定的H₂浓度下从合成代谢功能转换为分解代谢功能，类似于现在的一些产乙酸菌。

图5 LUCA中CODH / ACS酶复合体的性质以及在两个域中转变为细菌和古生菌类型的可能历程。向内的箭头表示出现了一个新的亚基，而向外的箭头则表示失去了亚基。

原文链接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5819426/

参考文献：Adam, Panagiotis Set al. “Evolutionary history of carbon monoxide dehydrogenase/acetyl-CoAsynthase, one of the oldest enzymatic complexes.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America vol. 115,6 (2018):E1166-E1173. doi:10.1073/pnas.1716667115

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