8月18日，國際學(xué)術(shù)期刊Zoological Research在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳洛南組與西北工業(yè)大學(xué)王文組最新研究成果“Coevolutionary insights between promoters and transcription factors in the plant and animal kingdoms”。通過對跨越十億年進(jìn)化史，總共數(shù)百個(gè)動(dòng)植物物種的啟動(dòng)子序列和轉(zhuǎn)錄因子理化性質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子在動(dòng)植物細(xì)胞中存在不同的共演化模式。該成果被選為當(dāng)期的封面文章。

　　動(dòng)物和植物從原始的單細(xì)胞生物（綠色鞭毛生物）分化（diverge）并各自持續(xù)地演化（evolve），促成了地球上自然生態(tài)的多樣性（diversity）。在真核生物（eukaryotes）的基因轉(zhuǎn)錄（transcription）和調(diào)控（regulation）過程中，啟動(dòng)子（promoters）和轉(zhuǎn)錄因子（transcription factors）以及它們的相互作用扮演著決定性作用。然而，啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子在物種水平上的演化軌跡及演化模式目前尚不清楚。

　　通過對跨越十億年進(jìn)化史，總計(jì)420個(gè)動(dòng)物物種、223個(gè)植物物種的基因組序列分析和蛋白組理化性質(zhì)分析表明：（1）序列的GC含量（GC-content）和蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)（isoelectric points）可分別作為基因的啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子的演化特征印記（signatures）（Fig.1）；（2）在動(dòng)物界，啟動(dòng)子的GC含量和轉(zhuǎn)錄因子的等電點(diǎn)，在漫長的演化歷程中，表現(xiàn)出持續(xù)的同步增長（Fig.2A,C）；（3）在植物界，啟動(dòng)子的GC含量和轉(zhuǎn)錄因子的等電點(diǎn)，則表現(xiàn)出同步的降低趨勢（Fig.3A,B）。啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子的演化軌跡為“哺乳動(dòng)物和鳥類一樣，都是從爬行動(dòng)物直接演化而來”提供了新的證據(jù)（Fig.2A,C,D,E,F）。

　　進(jìn)一步通過分析啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子之間相互作用的模式，以及它們之間演化軌跡的強(qiáng)相關(guān)性和顯著性，表明啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子在動(dòng)物界呈現(xiàn)拮抗的共演化（antagonistic coevolution）（Fig.4A,B），而在植物界則呈現(xiàn)互利的共演化（mutualistic coevolution）（Fig.4C,D）。因?yàn)檗卓沟墓惭莼谒泄惭莼Ｊ街懈哂腥后w自然選擇優(yōu)勢，這或許能解釋，在現(xiàn)有的自然界中動(dòng)物物種的多樣性遠(yuǎn)高于植物物種（動(dòng)物物種數(shù)大約有 777萬，而植物只有29.8萬，前者是后者的26倍）。該研究為探究啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄因子間的相互作用機(jī)理，進(jìn)一步理解動(dòng)植物的分化、趨異演化及生態(tài)多樣性提供了新的洞見（Fig.5）。

　　中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳洛南研究員、西北工業(yè)大學(xué)王文教授和中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張勁松副研究員為該文的共同通訊作者。中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張勁松副研究員、夏潔助理研究員和上海交通大學(xué)附屬醫(yī)學(xué)院王海權(quán)博士為共同第一作者。這一工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.24272/j.issn.2095-8137.2022.111

封面圖片：Promoters and transcription factors enjoy antagonistic coevolution in the animal kingdom, but mutualistic coevolution in the plant kingdom.
封面設(shè)計(jì)：Jingsong Zhang, Libin Wu, LetPub

　　Fig.1 啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄因子特征印記（signatures）。A：通過物種的轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄輔助因子、蛋白組序列的等電點(diǎn)（帶電特征）分析，發(fā)現(xiàn)（1）轉(zhuǎn)錄因子與轉(zhuǎn)錄輔助因子之間具有顯著差異；（2）轉(zhuǎn)錄因子與轉(zhuǎn)錄輔助因子作為整體與蛋白組之間具有顯著差異。B：通過物種的啟動(dòng)子區(qū)、外顯子區(qū)、編碼區(qū)的GC-content分析，發(fā)現(xiàn)（1）啟動(dòng)子與外顯子和編碼區(qū)均具有顯著差異；（2）啟動(dòng)子區(qū)域的具有更小的GC-content。因此，GC-content和等電點(diǎn)可分別作為啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子的特征印記。

　　Fig.2 在動(dòng)物界中，啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子的共演化軌跡。A：從線蟲到現(xiàn)代人249個(gè)物種的基因組的啟動(dòng)子區(qū)域的GC-content分析，發(fā)現(xiàn)隨著物種演化從簡單到復(fù)雜方向，GC-content呈現(xiàn)平滑的上升趨勢（鳥類除外）。C：從線蟲到現(xiàn)代人97個(gè)物種的蛋白組的轉(zhuǎn)錄因子（含輔助因子）區(qū)域的帶電特征分析，發(fā)現(xiàn)隨著物種演化從簡單到復(fù)雜方向，等電點(diǎn)呈現(xiàn)上升趨勢（鳥類除外）。D：通過啟動(dòng)子GC-content與轉(zhuǎn)錄因子等電點(diǎn)的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者具有強(qiáng)相關(guān)性和顯著性。E：將兩棲類、鳥類和哺乳類為一組，對GC-content和等電點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)這三個(gè)集合不具有相關(guān)性。F：將兩棲類、爬行動(dòng)物和哺乳類為一組，發(fā)現(xiàn)這三個(gè)集合具有強(qiáng)相關(guān)性和顯著性。通過D、E、F分析，識(shí)別出鳥類是離群點(diǎn)（outlier），由此，為“哺乳動(dòng)物是從爬行動(dòng)物而不是從鳥類演化而來”提供了新的證據(jù)。G、H、I：在基因家族的啟動(dòng)子GC-content分析，發(fā)現(xiàn)與A圖具有相似的演化軌跡。綜上，在動(dòng)物界中，啟動(dòng)子GC-content和轉(zhuǎn)錄因子等電點(diǎn)同步上升，具有演化上的強(qiáng)相關(guān)性和顯著性。

　　Fig.3在植物界中，啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子的共演化軌跡。A：從藻類到被子植物，啟動(dòng)子的GC-content呈現(xiàn)下降趨勢。B：從藻類到被子植物，轉(zhuǎn)錄因子的等電點(diǎn)也呈現(xiàn)下降趨勢。D：從藻類到被子植物，啟動(dòng)子GC-content與轉(zhuǎn)錄因子等電點(diǎn)具有強(qiáng)相關(guān)性和顯著性。E：將苔蘚植物物種除外，從藻類到被子植物的演化過程中，啟動(dòng)子的GC-content與轉(zhuǎn)錄因子的等電點(diǎn)具有更強(qiáng)的相關(guān)性和顯著性，由此為“苔蘚植物是蕨類植物退化產(chǎn)生”學(xué)說提供潛在的證據(jù)。F、G：在基因家族層面，啟動(dòng)子GC-content具有與A圖相似的演化軌跡。綜上，在植物界中，啟動(dòng)子GC-content和轉(zhuǎn)錄因子等電點(diǎn)同步下降，具有演化上的強(qiáng)相關(guān)性和顯著性。

　　Fig.4 啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子在動(dòng)植物界中不同的共演化模式。在DNA雙螺旋中，G/C之間具有三條化學(xué)鍵，A/T之間具有兩條化學(xué)鍵，因此，啟動(dòng)子的GC-content影響其穩(wěn)定性，GC含量越高雙螺旋越穩(wěn)定。另外，GC含量越高的區(qū)域，通常甲基化率越高。DNA雙螺旋骨架的外側(cè)通常帶負(fù)電，表明轉(zhuǎn)錄因子帶正電荷越多，越容易靠近雙螺旋，進(jìn)而與DNA發(fā)生相互作用。A 到 B：動(dòng)物界中從簡單到復(fù)雜的演化方向上，啟動(dòng)子GC-content遞增，轉(zhuǎn)錄因子帶正電荷量也同步遞增。在演化進(jìn)程上，啟動(dòng)子因GC-content的增加而更加穩(wěn)定，轉(zhuǎn)錄因子若要靠近DNA雙螺旋并從啟動(dòng)子區(qū)域的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)打開，則自身必須帶有更多的正電荷。轉(zhuǎn)錄因子只有打開啟動(dòng)子并進(jìn)行后續(xù)的轉(zhuǎn)錄和翻譯，才會(huì)有轉(zhuǎn)錄因子“子代”產(chǎn)生。啟動(dòng)子一方面要保持自身的穩(wěn)定性，又要產(chǎn)生新的“子代”，則必須依賴轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。轉(zhuǎn)錄因子（寄生）對啟動(dòng)子（宿主）的寄生，并且互利關(guān)系，表明在動(dòng)物細(xì)胞中，啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子之間形成拮抗的共演化模式。C 到 D：植物界中從簡單到復(fù)雜的演化方向上，啟動(dòng)子GC-content遞減，轉(zhuǎn)錄因子帶正電荷量也同步減少。在演化進(jìn)程上，啟動(dòng)子因GC-content的降低而更容易被轉(zhuǎn)錄因子打開，當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子不需要更多的正電荷時(shí)，它們便呈現(xiàn)正電荷帶電量減小趨勢，兩者利他的相互作用，表明植物細(xì)胞中，啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子之間形成互利的共演化模式。 總之，啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子在動(dòng)物界呈現(xiàn)拮抗的共演化，而在植物界則呈現(xiàn)互利的共演化。

　　Fig.5 動(dòng)植物界中啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子共演化封面。圖上方DNA雙螺旋伸展趨勢代表動(dòng)物演化過程中啟動(dòng)子GC-content上升趨勢；圖下方DNA雙螺旋伸展趨勢代表植物演化過程中啟動(dòng)子GC-content下降趨勢。藍(lán)色的團(tuán)狀代表轉(zhuǎn)錄因子，轉(zhuǎn)錄因子周圍的“+”號(hào)代表帶正電量，伴隨著演化進(jìn)程，動(dòng)物細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄因子正電荷在遞增，而植物細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄因子正電荷在遞減。動(dòng)植物中啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄因子不同的演化趨勢，表明拮抗和互利兩種不同的共演化模式。在原始的單細(xì)胞生物中，啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子之間不同的演化模式，或是原始的單細(xì)胞生物分化為植物界、動(dòng)物界等界的驅(qū)動(dòng)力。拮抗的共演化模式具有群體自然選擇的優(yōu)勢，因此，動(dòng)物細(xì)胞中啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子拮抗的共演化，或是驅(qū)動(dòng)動(dòng)物物種比植物物種具有更高的物種多樣性。