科学家们通过回溯数十亿年前的生命演化历史，为精准医学的未来发展提供了重要启示。这项由美国辛辛那提大学癌症中心（University of Cincinnati Cancer Center）开展的新研究，由博士生Bibek R. Karki主导、Tom Cunningham教授指导，发表在《自然通讯》（Nature Communications）上，研究追溯了PRPS酶复合体的演化起源，并揭示了其在细胞生化过程中的功能机制。
研究人员聚焦于自然界中一种极为重要且演化高度保守的代谢酶——磷酸核糖焦磷酸合成酶（phosphoribosyl pyrophosphate synthetase，PRPS）。大多数哺乳动物细胞会产生四种PRPS相关蛋白：PRPS1、PRPS2以及PRPS相关蛋白1和2（AP1和AP2）。
Karki指出，过去30年的研究大多集中在PRPS1或PRPS2上，因为它们在体外实验中可以独立发挥催化功能，从而便于进行生化和结构分析。而AP1和AP2缺乏催化所需的结构特征，无法独立执行化学反应，因此它们的功能长期未明。
“在某种程度上，AP1和AP2就像‘僵尸’酶，”Karki说，他是Cunningham实验室的癌症生物学博士生。“它们存在，但却不具备催化活性。”
目前学界对于AP1和AP2在PRPS酶功能中所扮演的角色尚无统一认识，研究团队也好奇为何这些看似“无用”的基因能在漫长的演化过程中被保留下来。
“如果一个基因在演化过程中被保留下来，说明它反复受到自然选择的青睐，”Karki解释道。“这意味着它一定在执行某些重要功能，否则自然早就将其淘汰。”
追溯演化起源
为了进一步了解AP1和AP2的潜在功能，研究团队追溯了哺乳动物细胞中PRPS编码基因的演化历史。
PRPS1是最早出现在真核生物中的祖先型酶，源自数十亿年前一次细菌供体的基因转移事件。第一个PRPS的旁系同源基因（paralog）AP2出现在包含动物和真菌的谱系中，距今已超过十亿年。数百万年后，AP1和PRPS2分别由AP2和PRPS1通过一次基因组复制事件产生，这一事件促成了有颌脊椎动物的出现。
“这些旁系同源基因在整个有颌脊椎动物谱系中都被保留下来：从鲨鱼、硬骨鱼、两栖动物、爬行动物一直到哺乳动物。你可以想象这些蛋白质有多重要，”Karki说。“这四个蛋白质在数亿年的演化过程中都被完整保留下来，各自具有特定的新功能。”
除了在动物和真菌谱系中观察到这些基因的存在，研究人员还发现，像植物、变形虫（Amoebozoa）和其他原生生物等彼此差异极大的真核生物也表现出类似的PRPS编码基因复制和保留趋势，这进一步凸显了这些事件在高等生命形式代谢适应性中的重要性。
“在真核生物中，拥有多个PRPS编码基因几乎是普遍现象，而在细菌中却极为罕见，这正是真核生物区别于原核生物的一个非常有趣的特点，”Cunningham表示，他是癌症中心的研究员，也是加州大学医学院癌症生物学系的副教授。“我们发现，在多个真核生物谱系中，祖先PRPS酶的重复版本已经失去了催化反应所必需的关键残基，这一发现进一步支持了这些PRPS相关蛋白的新功能值得深入研究的观点。”
定义酶的功能
在演化证据表明这四个PRPS拷贝在细胞中具有重要作用后，研究团队使用CRISPR基因编辑技术，在哺乳动物细胞系中敲除了不同组合的酶，以进一步了解它们各自的功能。
“在我们尝试的所有组合中，细胞的整体适应性都下降了，”Karki说。“其中，仅保留PRPS1的细胞表现最为明显。它们无法满足细胞的基本需求，生长缓慢，核苷酸产量减少，并表现出线粒体功能缺陷。”
研究人员通过尺寸排阻色谱法（size-exclusion chromatography）发现，这四个酶在细胞内形成了一个大约是单个酶缺失细胞所形成结构10倍大小的大型复合体。
“令人震惊的是，当AP1或AP2缺失时，这个更大的复合体就会解体，”Karki说。“因此，AP1和AP2在某种程度上扮演着分子支架的角色，帮助构建并稳定这个大型酶复合体。”
“我们首次获得了这个酶如何构建的基本蓝图，”Cunningham补充道。“虽然还不是最微观的细节，但我们已经了解了哪些成分相互作用，以及是什么驱动了复合体的组装。Bibek的工作让我们掌握了这些基础信息。”
异常的大分子复合体
当研究人员改造细胞仅表达PRPS1时，细胞形成了功能较差的大型异常复合体，与正常细胞中由四个酶组成的复合体相比效率显著下降。Karki指出，这意味着许多过去在体外环境中单独研究PRPS1的研究可能并未真实反映其在正常细胞环境中的行为。
换句话说，过去的研究者们只看到了完整图景的四分之一。未来的研究必须关注这四个蛋白之间的完整相互作用。
“单独研究这些蛋白只能得到部分信息，”Karki说。“未来，我们必须将它们放在一起研究，因为这些成分之间的协调方式将决定该酶的活性和调控特性。”
Karki还指出，许多人类疾病都与PRPS酶的调控失衡有关，而其中很多机制尚未完全明确。研究整个PRPS复合体如何受突变影响，可能会为理解疾病机制和开发新的治疗策略打开新窗口。
Cunningham表示，由于PRPS酶是糖类转化为核苷酸、进而构成RNA和DNA基本单元的唯一路径，因此开发针对增强或抑制PRPS酶活性的个性化治疗方案具有巨大潜力。
“在癌症治疗中，你可能希望抑制PRPS活性，从而减少核苷酸的生成，抑制肿瘤生长；而在核苷酸缺乏综合征的情况下，你可能希望增强其活性。”Cunningham说。“揭示这个复合体的结构基础，为我们迈向下一步提供了立足点——将我们的知识转化为新的诊断工具和治疗手段，从而改善患者健康。”
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