Nat Commun：蓝藻中抗氧化酶进化时间推测

2021年8月12日讯/氧对复杂的生命形式是必需的，因为在有氧呼吸过程中，氧比其他可用的电子受体在每摩尔底物中产生更多的能量。尽管今天地球的大气中含有约21%的氧气（O₂），但在40 - 25亿年前的太古代（Gya）至少要低10⁵倍。只是如何以及何时O₂作为生物进化-生物氧光合作用的副产物出现仍然有争议。由于氧气是高度活性的，早期的蓝藻细菌——第一个生物氧气的生产者——可能经历了选择压力，导致其往产生更有效的抗氧化剂的方向进化。在整个历史中，光合机制的进化策略一直关于活性氧物种（ROS）。因此，研究人员假设，随着水氧化蛋白的进化，产生O₂的生物，如蓝藻，会共同进化出更有效的管理ROS的机制。

蓝藻的祖先产生了地球上第一个生物分子氧，但他们处理氧化应激的方式仍然不清楚。在本研究中，研究人员研究了超氧化物歧化酶（SOD）何时能够清除超氧化物自由基，并预估了蓝藻细菌的起源。利用微化石校准的贝叶斯分子钟，预测蓝细菌起源于3300-3600万年前。不久之后，研究人员发现系统发育证据，即祖先蓝藻在太古代使用了带有铜和锌辅助因子（CuZnSOD）的SOD。到古元古代，它们在基因上能够使用铁、镍和锰作为辅助因子（分别为FeSOD、NiSOD和MnSOD）。新元古代时期Ni/Ti比值的升高可能反映了由于氧化风化作用的增加或大火成岩省的风化作用（如磷的风化作用），使相对较大的Ni通量进入海洋，类似于当时的其他硫化物结合金属，如钼或钒。NiSOD的进化过程十分有趣，因为它与蓝藻细菌入侵开阔的海洋相一致。通过对与活性氧（ROS）有关的金属酶的分析表明，仅凭海洋地球化学记录可能无法预测淡水和陆地生境的光养生物对金属的利用模式。

图 从地质年代推断出蓝藻(紫色)及其CuZnSODs(红色)、NiSODs(橙色)和锰和/或铁利用SODs(蓝色)的出现

总之，研究人员认为，随着新元古代氧气水平的升高，蓝藻开始将镍吸收为SODs，入侵新元古代浮游生物群落。（生物谷Bioon.com）

参考文献：Boden, J.S., Konhauser, K.O., Robbins, L.J. et al. Timing the evolution of antioxidant enzymes in cyanobacteria. Nat Commun 12, 4742 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24396-y