PNAS：钴酰胺的“零件先于整机”，中国学者发现四吡咯前体生产者竟比完整钴酰胺生物合成更古老

钴胺酰胺是含钴的化合物，其中维生素B12是最广为人知的成员。作为所有后生动物（包括智人）和大多数微生物的关键辅因子，钴胺酰胺的出现代表了生命进化过程中一项重要的生物化学创新，并推动了地球上生命代谢多样性的发展。

尽管许多生物体广泛需要钴胺酰胺，但它们仅由特定类群的细菌和古菌生物合成，且通过有氧或厌氧途径从头合成需要超过30个酶促步骤。钴胺酰胺的生态学意义超越了微生物间的交互作用，它作为一种保守的代谢资源，连接了食物网中的多个营养级。

这突显了微生物产生的钴胺酰胺在塑造复杂生命形式（包括动物和人类）进化过程中的潜在作用。近期研究进一步表明，病毒可能通过诱导钴胺酰胺从宿主细胞中释放来影响其在环境因素中的可用性，从而扩展了参与钴胺酰胺相关交互作用的生物网络。这种跨物种交换强调了钴胺酰胺在多样化生态系统（包括海洋、土壤和宿主相关环境因素）中的生态学重要性。

钴胺酰胺产生菌的出现以及自然系统中钴胺酰胺的可用性，影响了微生物的代谢策略，并推动了钴胺酰胺依赖性的进化，从而在生物体间形成了普遍的代谢相互依赖关系。如前所述，在不依赖B12的莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）于B12可用条件下孵育少于500代后，可进化出一个依赖B12的克隆。

已有证据表明，在B12可用条件下，依赖B12的代谢相较于不依赖B12的代谢具有竞争优势，表现出更高的催化效率和更大的资源效率。此外，近期一项针对细菌物种的比较基因组学研究揭示，大多数细菌（86%）拥有一个或多个依赖钴胺酰胺的酶家族。

然而，钴胺酰胺的生物合成是一项巨大的基因组和代谢负担，仅有一小部分细菌和古菌能够从头合成。这些发现表明，钴胺酰胺通常在生物体间保守共享。解析钴胺酰胺生物合成及其代谢依赖性的进化时间点，对于理解生物体间的交叉喂养具有重要意义，但相关信息颇为匮乏。

图1.钴胺素生物合成基因及生产菌进化历程中的主要事件概要（Mya：百万年前）（摘自

PNAS

）

据作者所知，关于钴胺酰胺产生菌起源的讨论仅限于Scott的推测，该推测认为其源自一种原始厌氧菌。除此之外，关于这一主题几乎没有进一步的研究，这可能是由于当前方法学的局限性所致。

尽管可以通过一套实践方法对生命树中支系的进化历史进行校正，从而估算其绝对时间尺度，但水平基因转移（HGT）在不同物种间广泛存在，并可能导致包括钴胺酰胺生物合成基因在内的基因进化时间点确定出现不精确性。例如，热袍菌目（Thermotogales）从远缘谱系（如厚壁菌门和古菌）获取了B12生物合成基因。

圆柱拟脆杆藻（Fragilariopsis cylindrus）由于HGT获得了B12生物合成途径中的五个合成基因。为解决HGT事件在估算基因时间线时造成的不准确性，研究人员开发了一种树协调算法，通过将每个基因的系统发育与已定年的物种树进行比较，来识别HGT和基因诞生日期。该算法已成功用于准确估算细菌进化以及若干代谢过程（包括砷解毒和糖肽类抗生素）中基因的时间尺度。

在本研究中，为估算钴胺酰胺生物合成及依赖性酶编码基因出现的时间顺序，作者采用贝叶斯框架下的分子钟分析模型，并通过将每个基因的系统发育映射到已定年的物种树上进行协调分析。此外，作者鉴定了厌氧和有氧钴胺酰胺产生菌，并研究了它们的出现日期。

参考消息：https://doi.org/10.1073/pnas.2610446123