mLife | 古菌KEOPS复合体亚基组成及新功能的发现为真核生物古菌起源学说提供新证据

山东大学微生物技术国家重点实验室申玉龙教授团队的文章“The archaeal KEOPS complex possesses a functional Gon7 homolog and has an essential function independent of the cellular t⁶A modification level”于2023年1月8日在mLife正式上线。该研究团队系统研究了泉古菌冰岛硫化叶菌（Sulfolobus islandicus REY15A）KEOPS复合体的组成和功能，发现古菌编码的Pcc1-like蛋白是真核生物Gon7亚基的功能同源蛋白，同时发现KEOPS具有t⁶A修饰外的必需功能，推测为DNA同源重组修复。

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背景介绍

KEOPS复合体是古菌和真核生物中高度保守的多亚基复合体，其中Kae1、Bud32、Pcc1和Cgi121为古菌和真核生物共有，而Gon7之前仅在真核生物中发现。真核生物中KEOPS复合体参与t⁶A修饰、同源重组修复和端粒维持等。人类KEOPS复合体亚基的异常还与一些遗传病和多种肿瘤的迁移与发生有关。然而，有关Gon7的起源、KEOPS复合体行使多种功能的机制及其演化尚不清楚。

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科学发现

古菌Pcc1-like是真核生物Gon7的功能同源蛋白

该研究首先利用生物信息学方法进行分析，发现大多数古菌具有Pcc1亚基的旁系同源物Pcc1-like。与之对应，真核生物不含Pcc1-like而含Gon7。结合体外亚复合体配制和分子排阻色谱分析等实验发现，Pcc1介导亚复合体二聚化，而 Pcc1-like则与真核生物Gon7同样能够抑制复合体二聚化，两者系功能同源（图1A）。有趣的是，Pcc1-like也能够和Kae1发生互作，但不能介导亚复合体二聚化，可能是进化上的中间形式；结构预测和比对也说明Pcc1-like和Gon7具有一定的结构相似性（图1）。

图1 Pcc1-like是Gon7的结构和功能同源蛋白

三域生命t⁶A修饰复合体组成和功能的演化 

该研究发现古菌KEOPS复合体的各亚基基因均不能被敲除。接着，该团队构建了KEOPS亚基cgi121的敲低菌株，发现敲低菌株t⁶A修饰水平显著降低，说明古菌KEOPS参与t⁶A修饰。随后将嗜热细菌海栖热袍菌Thermotoga maritima的t⁶A修饰系统引入硫化叶菌。敲低菌株的t⁶A修饰水平维持在正常水平，说明细菌t⁶A修饰系统可以在硫化叶菌中完成t⁶A修饰。但是KEOPS复合体的各个亚基基因仍然不能被敲除，说明古菌KEOPS存在t⁶A修饰外的其它必需功能，推测为同源重组修复。最后，结合其他生物中t⁶A修饰系统的研究结果，作者提出了三域生命中t⁶A修饰复合体的演化模型（图2）。

图2 三域生命t⁶A修饰复合体组成和功能的演化模型

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总结展望

该研究揭示了古菌KEOPS复合体组成和功能演化的线索，为真核生物古菌起源学说研究提供了新的证据。由于古菌KEOPS复合体功能相对简化（缺少端粒维持功能），对其进行进一步研究将有助于阐明KEOPS复合体参与t⁶A修饰和同源重组修复的分子机制。

引用本论文：Wu P, Gan Q, Zhang X, Yang Y, Xiao Y, She Q, et al. The archaeal KEOPS complex possesses a functional Gon7 homolog and has an essential function independent of the cellular t⁶A modification level. mLife. 2023.

https://doi.org/10.1002/mlf2.12051

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第一作者

吴鹏举    硕士

作者单位：山东大学微生物技术国家重点实验室

作者简介：2022届硕士研究生，科研助理，研究方向为古菌分子生物学与生物化学。

通讯作者

黄奇洪    博士，助理研究员

作者单位：山东大学微生物技术国家重点实验室

作者简介：主要研究内容为古菌DNA损伤响应与修复、古菌蛋白磷酸化修饰等。

通讯作者

申玉龙    教授，博士生导师

作者单位：山东大学微生物技术国家重点实验室

作者简介：长期开展古菌生物学研究，主要兴趣为古菌DNA损伤响应与修复、细胞分裂及细胞周期调控和古菌合成生物学应用等。

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期刊简介

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