不同类型的色氨酸合酶链，在细菌、古生菌和高等植物中有何意义？

文| 夙夜玖歌

编辑| 夙夜玖歌

前言

色氨酸的生物合成在哺乳动物中并不存在，但它是原核生物、真核生物微生物和高等植物的一般代谢能力。它一直是阐明基因-酶关系和调控的经典系统，这在很大程度上要归功于查尔斯·亚诺夫斯基·的毕生努力。色氨酸在生物化学上是合成中最昂贵的氨基酸。

色氨酸基因聚集组织成一个操纵子，多年来一直是一个模型系统，并继续受到关注。在当前的基因组学时代，新出现的惊喜表明，仍有很多东西需要学习。这些令人惊讶的是，操纵子正在被组织重组，被插入明显不相关的基因所入侵，被基因部分或完全分散到操纵子外的位置所破坏，或者被位于操纵子外的额外操纵子基因拷贝的存在而变得复杂。

色氨酸合成酶，催化色氨酸生物合成的最后一步，是最严格记录的酶复合物的例子之一。它由一个亚基组成，它将磷酸甘油和甘油醛，以及一个亚基，它浓缩和l-丝氨酸生成l-色氨酸。

复合物形成了一个隧道，酶生成的惰性被释放出来。这些单体和二聚体通过高度复杂的变构机制相互接触，难怪编码这两个亚基的基因几乎总是紧密相连的，经常是翻译偶联的。

在这种背景下，有相当数量的生物体拥有不止一个编码色氨酸合酶链的基因。通常，但并不总是，“额外的”基因与编码链的基因无关，它还定义了链的一个独特的亚群。这已在COGs数据库中被确认为“替代色氨酸合酶”（COG 1350）。在这篇文章中，将详细分析了在原核生物中的分布背景下，链的两个亚群在负责色氨酸生物合成的基因组织的动态变化。

系统发育树的构建

初始氨基酸比对使用ClustalW软件生成，通过目视检查进行人工调整，将保守的图案和残留物纳入登记册，这是通过使用BioEdit多重对齐工具来实现的。利用程序的PHYLIP软件包对TrpEa和TrpEb蛋白家族内的进化关系进行了推断。

使用Protpars程序生成最大简约树，并使用邻域连接程序和Fitch程序生成基于距离的树。后一个程序中使用的距离矩阵是使用PryoffPAM矩阵的prot程序产生的。然后使用Seqboot和感知程序，使用引导重采样来评估树的统计强度。

邻居连接（PHYLIP）、Fitch和马戈拉什（Fitch在PHYLIP中），以及最大简约方法都产生了彼此一致的树。尽管在许多单独的内部节点上引导值很低，但它们内部形成的分类群和排列基本上是相同的。分析了90条TrpEb序列和63条TrpEa序列。

明显不同类型的TrpEb

TrpEb蛋白分为两个明显不同的组，主要的类群，称为TrpEb_1，包括从大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和枯草芽孢杆菌等生物体中研究充分的酶小群，表示TrpEb_2，由古蛋白代表，但不完全。在目前完成的古菌基因组中，只有贾氏甲烷球菌缺乏TrpEb_2。七古细菌基因组同时具有TrpEb_1和TrpEb_2。6个古菌基因组具有TrpEb_2，但没有TrpEb_1。

迄今为止，细菌TrpEb_2蛋白仅限于细菌、热原菌、分枝杆菌、地杆菌、氯化菌和红假单胞菌属。此外，在高等植物拟南芥中存在的多种TrpEb蛋白之一，属于TrpEb_2亚家族。鉴于TrpEb_2与TrpEb_1的明显分化，人们可能会认为要么TrpEb_2已经失去了与TrpEa变构相互作用的能力，或者可能是TrpEa的一个分化亚群与TrpEb_2共同进化。

TrpEb的多个副本经常存在于基因组中。例如，两种TrpEb_1共存，两种TrpEb_2共存，或者TrpEb_1和TrpEb_2在同一生物体中共存。许多生物体拥有两个TrpEb_1拷贝。在每一种情况下，与trpEa相连的trpEb_1都是高度保守的，而其余的拷贝已经分化到它可能是一个假基因。这些可能的假基因的TrpEb_1产物在图2所示的蛋白质树上有细长的分支。

值得注意的是，蓝藻和高等植物的氨基酸序列形成了TrpEb_1的一个内聚簇。一对来自同一生物体的TrpEa蛋白进行分析，得到了非常相似的系统图输出。这种高等植物/蓝藻细菌的关系与细胞器进化的内共生假说相一致。在每一种情况下，海洋原绿球菌和聚球菌都是外围序列群，其他蓝藻序列与拟南菌和玉米（玉米）的高等植物序列更接近。所示的分支顺序由非常高的引导值支持。

Zma-3是TrpEa蛋白，已被提出[22]独立于TrpEb伙伴发挥作用，产生[22]进入色氨酸以外的途径。在这种情况下，惰性作为一种防御代谢物的前体，对昆虫、细菌和真菌都很活跃。

在缺乏TrpEb_1的生物体中发现的TrpEa

六种生物（所有古生菌）拥有完整的色氨酸途径，但它们缺乏TrpEb_1。火山热等原体、嗜酸T.和嗜酸铁等原体中的TrpEb仅由一种TrpEb_2所代表。虽然硫草、火草和火杆菌嗜气菌均有两种TrpEb，均为TrpEb_2品种。因此，在所有这六种谱系中，TrpEa要么可能无法与TrpEb_2形成紧密的复合物，要么可能进化出不同的蛋白质-蛋白质接触。

在后一种情况下，不同的TrpEa子组可能与两个TrpEb子组并行。相反，所有的TrpEa序列都分为一组。然而，与那些确实拥有TrpEb_1的古菌（例如，焦球菌、甲烷球菌、甲烷菌、甲烷菌和盐杆菌）的序列相比，仅拥有TrpEb_2的6个古菌谱系在TrpEa树上有非常独特的细长分支。

这表明了进化分化率的提高，要么是由于选择了TrpEa与TrpEb_2的新的生产接触，要么是由于缺乏维持以前对与TrpEb_1接触很重要的TrpEa残基的限制。

沙眼衣原体TrpEa序列的长分支反映了其作为假基因的可能地位。这与观察到的沙眼C.TrpEb_1似乎也是一个假基因是一致的。沙眼梭菌的功能，因为它缺乏完整的色氨酸途径。事实上，从实验数据中给出的信息中可以明显看出，沙眼c.中许多其他方面不变的氨基酸残基的变化。

TrpEb_1和TrpEb_2的概述比较

鼠伤寒杆菌TrpEb_1与糠疹鼠伤寒杆菌TrpEb_2的氨基酸序列比对结果。每个序列都显示为它自己的子家族的模板，从一个细化的多重对齐中提取。从一个完全的多重对齐推导出的保守残基（可从作者的要求）被表明，以及在完全对齐中出现的间隙位置。

在催化和变构调节中的功能作用被表明目的：比较TrpEb_1和TrpEb_2蛋白的异同。作为磷酸吡哆醛配体或与磷酸吡哆醛相互作用的残基分散在整个序列中，包括催化的K87，并且高度保守。残基E109已被证明通过从N1中提取质子使其更亲核。丝氨酸底物结合区域高度保守，与G232(M306和G/A/S308协调的一价阳离子（MVC）结合区域高度保守。

许多indels（插入/删除）区分了TrpEb_1和TrpEb_2，TrpEb_2总体上比TrpEb_1长约50个残基。除了TrpEb_1和TrpEb_2之间的其他保守残基外，每个亚群都有自己独特的保守残基库。

COMM结构域[24]是一个刚性但可移动的结构域，最初定义为鼠伤寒杆菌TrpEb_1 [25]的结构域，与TrpEb_2亚家族的相应区域不同存在一个indel。该区域内的关键TrpEb_1调控残基（R141，K167）以及MVC位点附近的一个残基（D305）残基在TrpEb_2亚群中不保守。

TrpEa-TrpEb_2系统中亚单元间接触的丢失

鼠伤寒杆菌的色氨酸合酶是一个严格记录的底物通道的例子，其中作为中间体产生的中间通道通过一个内化的隧道。配体在-位点的结合和在位点的共价转化完成了相互强化的整体变构。可移动的COMM结构域由鼠伤寒杆菌TrpEb_2中的G102~G189残基组成。

COMM与-活性位点和-亚基环2和6相互作用，以响应变构信号。在TrpEb_1的COMM域内，S178参与亚基间信号传导TrpEa的G181号。竞争的变构构象一方面是由TrpEb_1的K167和TrpEb_1的D305之间，或TrpEb_1的K167和TrpEa的D56之间的替代盐桥介导的。当TrpEb_1的D305没有被K167占据时，它与R141形成了一个替代的盐桥，。

由于TrpEb_2和TrpEa之间的亚基间信号传导要么缺乏，要么涉及不同的接触，因此与TrpEb_2和TrpEb_1相比，重要的催化残基可能是保守的，而变构残基则不是保守的。同样地，在那些缺乏TrpEb_1伙伴的TrpEa蛋白中，而不是被迫与TrpEb_2协同作用，人们可能会期望催化残基的保留，但变构残基的丢失。

在亚基间信号对TrpEb_1 S178/TrpEa G181中，S178在其自身的亚家族中并不保守，等效的残基似乎存在。然而，令人吃惊的是，G181在所有的TrpEa蛋白中都是不变的，除了那些属于缺乏TrpEb_1的6个古菌谱系的蛋白。更引人注目的是，参与替代-或-盐桥的K167在TrpEb_1中是不变的，但在TrpEb_2中不存在。

同样，盐桥伙伴D305在TrpEb_1中是不变的，但在TrpEb_2中不存在。TrpEa中的盐桥伙伴D56是不变的，除了6个缺乏TrpEb_1的古菌谱系。TrpEb_2序列在TrpEb_1蛋白的COMM结构域对应的一般区域插入了16个残基。

含TrpEb_2基因组中的色氨酸基因组织

这10个古细菌基因组和6个迄今已知的具有TrpEb_2的细菌基因组中的色氨酸途径基因的组织显示在一个16S rRNA。堀石焦球菌已经失去了整个途径，只有trpEb_2存在。在喹和氯菌中，所有的trp基因都是分散的，trpEa与trpEb_1和trpEb_2都没有联系。在细菌和古生菌中，trpEb_1trpEa基因目是最高度保守的基因组基因排列之一。通常存在翻译耦合，褐褐藻、巴西藻、热自养藻、火山藻、古褐藻和海洋藻。

在后一种基因组中，trpEb_2都在色氨酸操纵子之外。都热原体的物种拥有一个完整的色氨酸操纵子，它缺乏trpEb_1（在基因组的其他地方也不存在）。因此默认情况下，未连接的trpEb_2必须在这些生物体中对起到色氨酸生物合成的作用。在白蛉和固体白蛉中，所有的trp基因都很相邻，但trpEb_2位于trpEa的侧翼，而trpEb_1在这些基因组中缺失。

在每种情况下，都存在第二个trpEb_2的未链接副本。在硫还原地杆菌中，trpEa和trpEb_1都是不相互关联的，并且两者都在一个完整的trp操纵子之外。在这种情况下，操纵子包含trpEb_2似乎确实很奇怪。

如果古菌缺乏ilvA，异亮氨酸生物合成的-酮丁酸的来源是什么？看来-酮丁酸很可能是由“丙酮酸”途径产生的，其中柠檬酸作为初始中间产物产生。一些较早文献中的示踪剂研究表明-酮丁酸从丙酮酸中而不是苏氨酸，而(R)-柠檬酸合酶活性最近在贾氏分枝杆菌中被证实。这一途径最初被证明存在于钩端螺旋体中，似乎可能会有更多的例子出现。

的确，确实如此有趣的是，在适当的选择条件下，肠道细菌具有用苏氨酸衍生途径取代苏氨酸脱氨酶步骤的潜在潜力。丙酮酸转化为2-酮丁酸的柠檬酸途径涉及碳链延伸机制，该机制使用与乙酰辅酶a缩合的初始步骤，然后是重排、氧化和消除碳，产生不同于原始底物的酮酸的存在。

这种机制在自然界中是很熟悉的，类似的步骤被用于三羧酸循环、赖氨酸生物合成的酮己二酸途径和亮氨酸生物合成。这些类似的步骤在不同的途径最初用于制定招聘的假设进化获得新的功能，有趣的是，柠檬酸中显示合成酶基因之前注释为-异丙基苹果酸合成酶（催化亮氨酸生物合成的初始步骤）。

结论

在色氨酸合酶反应中，TrpEb_1几乎总是与TrpEa合作。然而，在默认情况下，至少有6个古生菌谱系可能使用TrpEb_2作为功能链，因为TrpEb_1缺失。这6个谱系在整个TrpEa系统发育树中表现出明显的差异，这与TrpEa中缺乏对氨基酸残基的选择相一致，否则可以与TrpEb_1连接。

我们认为，TrpEb_2的独立功能可能是催化丝氨酸脱氨酶反应，这是色氨酸合酶链的一种既定的催化能力。一个有趣的发现是，古菌似乎使用柠檬酸途径，而不是苏氨酸脱氨酶（IlvA），来启动异亮氨酸生物合成途径。