配体结合域重复扩增的趋同演化精细调控脊椎动物TGFβ信号通路

《Nature Communications》：Recurrent evolution of ligand-binding domain multiplicity fine-tunes TGFβ signaling in vertebrates

　　

从海绵到哺乳动物，转化生长因子β（TGFβ）信号通路是调控躯体构型、细胞命运与组织稳态的核心通路，其受体结构在全部后生动物中高度保守。本研究鉴定了该关键受体结构中一类此前未被发现的演化分歧：在鱼类、两栖类、鸟类与哺乳类等多样脊椎动物谱系中，ACVR1、BMPR2与TGFBR2三类受体共发生12次独立的配体结合域（LBD）重复事件。这些重复揭示了这一经典通路中此前未被认识到的、源于结构域层面创新的分子结构与功能可塑性，且在斑马鱼、非洲爪蟾与鸡等常用模式生物中同样存在。近期分化的谱系倾向于保留膜远端LBD及配体互作残基，与增强的配体结合能力相关；而古老谱系则表现出膜远端LBD的加速演化，并与抑制性功能相关。研究人员发现，LBD多聚化是一种反复出现、不依赖特定谱系的机制，能够多样化并精细调控TGFβ信号，为后生动物生物学中这一被最深入研究的保守核心通路增添了新的调控维度。

研究背景与意义

转化生长因子β（TGFβ）信号通路是后生动物发育与稳态维持的核心调控系统，其受体结构自无脊椎动物至哺乳动物高度保守。长期以来，学界普遍认为该家族受体仅含单个配体结合域（LBD），而表皮生长因子受体（EGFR）等其他受体家族却普遍存在LBD重复现象。前期研究人员在青鳉（medaka）中发现ACVR1基因发生了LBD三重化，提示该通路可能存在未知的结构可塑性。然而，此类事件是否广泛存在于脊椎动物中、如何影响信号功能，仍是未解之谜。本研究旨在系统解析TGFβ受体LBD重复的演化规律与功能后果，为理解信号通路的多样性调控提供新视角。论文发表于《Nature Communications》。

关键技术方法

研究人员构建了跨脊椎动物谱系的多物种基因组与转录组分析队列，涵盖辐鳍鱼类、肺鱼、两栖类、鸟类与哺乳类，并通过RNA测序补充关键类群数据。综合运用比较基因组学、分子进化分析（包括分子钟计算）、蛋白结构预测与分子对接（AlphaFold2与Rosetta）、配体表面结合实验（LSBA）、双荧光素酶报告基因检测、单细胞转录组分析及斑马鱼胚胎体内过表达模型，系统解析LBD重复的演化模式与功能机制。

研究结果

WGD非依赖的LBD扩张

研究人员在TGFβ受体家族中鉴定出12次独立的LBD重复事件，分布于ACVR1/ACVR1L、BMPR2与TGFBR2/TGFBR2L三个基因。这些事件广泛发生于硬骨鱼、多鳍鱼、肺鱼、两栖类、鸡与奇蹄目哺乳类中，既包括全基因组复制（WGD）后的旁系同源基因，也包括无WGD背景下的独立重复。重复规模从2.1 kb至18.7 kb不等，且重复边界未见保守重复序列，表明其为多次独立发生的遗传事件。值得注意的是，I型受体LBD由单外显子编码，而II型受体LBD由两个外显子编码，提示重复机制存在差异。

膜近端LBD驱动gnBmpr2a信号传导

针对多鳍鱼与驼背鱼（Notopteroidei）中BMPR2的三重LBD，研究人员发现膜近端（内侧）LBD（LBDⁱⁿ）与人BMPR2序列同源性最高，且保留了激活素A（Activin A）结合界面的关键残基。分子对接与体外实验证实，仅LBDⁱⁿ具有高配体结合能力与信号传导活性，而外侧与中间LBD单独存在时无显著功能，甚至对信号产生抑制作用。此外，象鼻鱼（elephant-nose fish）BMPR2表现出类似ACVR2的受体行为，增强了Activin A的结合与SMAD2/3信号。

TGFBR2 LBD多聚体的趋异演化精细调控信号

TGFBR2基因在七个独立谱系中发生LBD重复，且在不同谱系中呈现差异演化。鲤科与爪蟾的重复LBD间序列一致性低（25–50%），而鲈鱼、鸡与马则高度保守（90–100%）。分子钟分析显示，斑马鱼LBD重复后演化速率显著加快，偏离了谱系分子钟。功能实验表明，斑马鱼与鲤鱼的重复LBD中，仅LBDⁱⁿ具有配体结合与信号能力，外侧LBD几乎无功能；鸡的重复LBD高度相似，均能有效结合配体并传导信号；马的重复LBD则呈现功能分化。

LBD重复产生低信号活性的斑马鱼dTgfbr2a

斑马鱼特异性保留了具有两个LBD的dTgfbr2a，同时存在仅含单LBD的旁系同源基因dTgfbr2b。单细胞转录组显示，dTgfbr2a特异性表达于中间中胚层与造血谱系，随发育上调。体外与体内实验证实，dTgfbr2a的信号传导活性显著低于dTgfbr2b，其外侧LBD具有抑制作用；删除外侧LBD可恢复信号活性。过表达实验表明，dTgfbr2a诱导的胚胎腹侧化与独眼表型弱于dTgfbr2b，证实了其在体内发挥精细调控作用。

讨论与结论

本研究首次系统揭示了TGFβ受体LBD重复的广泛存在与功能多样性。研究人员指出，LBD多聚化是一种反复出现的演化创新，通过增强配体结合能力（如鸡）或调节信号传导效率（如斑马鱼）来微调通路输出。这种机制独立于WGD，且与受体旁系同源基因的功能冗余密切相关。研究强调，尽管TGFβ通路核心结构高度保守，但其通过结构域层面的可塑性实现了脊椎动物特异性的信号调控，为理解发育演化与疾病机制提供了新范式。此外，LBD重复在部分谱系中通过可变剪接产生功能多样性，进一步增加了调控复杂性。这些发现拓展了学界对TGFβ信号通路演化与调控的认知，为相关疾病研究提供了新的分子基础。