藻类基因组揭示了进化的镶嵌和核能的命运

　　隐藻植物和氯颌骨核的核形态是残留的 ，内共生核与微小的基因组 <1 Mb in size14,15,16,17. The G. theta and B. natans nucleomorph genomes have only 487 (ref. 17) and 331 (ref. 15) protein genes, respectively, comprised of a limited set of ‘housekeeping’ genes, 31 or fewer genes for plastid-targeted proteins, and an abundance of ‘ORFan’ genes that typically show no detectable sequence similarity to known proteins14. 　　Like plastids and mitochondria, nucleomorphs and their genomes are reduced beyond self-sufficiency; they depend on nucleus-encoded proteins that are targeted to the periplastidial compartment (PPC), the residual endosymbiont cytoplasm in which the nucleomorph resides (Fig. 1). However, only a handful of PPC-targeted proteins are known (for example, see refs 18, 19, 20, 21) and the true extent of this dependence is unclear. Indeed, why nucleomorph genomes have been retained at all is a long-standing mystery of plastid evolution. Bearing in mind our knowledge of the G. theta and B. natans plastid22,23, nucleomorph15,17 and mitochondrial (this study) genome sequences, we carried out a comprehensive examination of nucleus-encoded proteins predicted to be targeted to each subcellular compartment (Supplementary Information 1.9), with emphasis on the PPC. 　　Our in silico-predicted mitochondrial, plastid, and PPC and nucleomorph proteomes for G. theta and B. natans are summarized in Supplementary Table 1.9.1 and Supplementary Fig. 1.9.4.1.2, together with a predicted set of >600进化保守的内质网和高尔基蛋白（补充信息1.9）。The limited overlap in proteins predicted to be targeted to different compartments suggests that the search strategies successfully differentiated among plastid-, PPC- and nucleomorph-, and host endoplasmic-reticulum- and Golgi-targeted proteins, which is important because in both cryptophytes and chlorarachniophytes the signal peptide secretion system is the first step in trafficking proteins to each of这些隔间1 。我们分析了这些蛋白质组
，以比较和对比G. theta和B. natans中独立进化的质体和周质室的生物学
。 　　G. theta的含量是B. natans的两倍（2,401对1,002，在去除模棱两可的蛋白质）上是两倍。基于KOG的PPC或核态蛋白质组中的独特（即非重叠）蛋白的分解显示 ，相对于Natans的G. theta
，在G. theta中特别“富集”的三种KOG类别相对于NATANS：翻译后修饰，蛋白质的跨倍率和蛋白质的交换和依赖蛋白；信号转导；和碳水化合物的运输和代谢（图2A和补充表1.9.4.1.1） 。这些观察结果的生物学意义通过映射核能和核编码的 ，靶向PPC的蛋白质与KEGG（基因和基因组的京都百科全书）代谢途径（补充信息2.4）
。G. theta PPC具有降解蛋白质的蛋白酶体的规范成分
，B。Natans似乎完全丢失了（Kegg途径图03050，补充图2.4.1） 。G. theta似乎还具有更多专用于蛋白质折叠（分子伴侣）和RNA降解的PPC定位蛋白 ，并且代谢酶的多样性更大，包括氨基酸生物合成的酶（补充信息2.6.1和补充图2.4.1）
。相比之下
，纳塔氏芽孢杆菌具有比G. theta的预测核能 - 定位，剪接体相关的蛋白质（补充图2.4.1） ，这与内含子含量的明显差异相关：852在B. natans natans natans核基因组中的852差异相关。 　　在G. theta和B. natans中
，宿主对细胞器生物学的核控制以核编码的转录相关蛋白的形式（可能可以调节核形状基因表达；补充信息2.6.1），推定的DNA复制机器 ，priptation DNA复制机械
，蛋白蛋白（例如，蛋白酶） 。PPC和核晶中的其他过程主要由核能编码的蛋白驱动 ，翻译是一个突出的例子（图2A； KOG类别J（翻译
，核糖体结构和生物发生））。对于G. theta，可以推断出小和大的PPC核糖体亚基的近乎完整的曲目 ，对于纳塔特人的B. natans而言
，略少，而在这两种情况下 ，大多数组成蛋白都是核量编码的（补充图2.4.2）
。这反映了质体基因组中看到的模式24，其中核心过程（例如转录和翻译）主要涉及蛋白质合成的“现场 ”。 　　碳代谢在G. theta和B. natans中有很大不同
，这与鉴定推定的碳水化合物活性酶（补充信息1.11和表2.3.1和2.3.2）所推论 。在G. theta中假定的糖酵解相关蛋白的亚细胞映射（补充图2.4.5）揭示了许多由葡萄糖，水二基糖酶 ，α-氨基酶
，甲基氨基酶，甲基氨基化酶 ，6磷酸化酶和磷酸糖酶等关键酶（如葡聚糖
，甲二基糖酶，α-氨基酶 ，α-氨基酶）催化的许多PPC - 钙化反应
。这些酶形成了与淀粉的合成和降解的联系
，该酶发生在G. theta25中的PPC中。从G. theta中的PPC，PPC ，质体或细胞代谢物穿梭物的36个候选蛋白是从一组757个假定的与膜传输相关的蛋白（补充信息1.10和补充表1.10.2）中鉴定出来的 。Natans中糖酵解酶的分布与G. theta的分布非常不同
，PPC-，质体 ，线粒体和宿主细胞质 - 定位蛋白的混合物更异质（补充图2.4.3和2.4.4）
。在氯氨菌素中，主要的碳水化合物储存产物是位于宿主细胞质26中的β-1,3-葡聚糖（图1）
，我们确定了许多可能在β-葡聚糖代谢中具有作用的酶（补充信息2.3.2.2.2.2.2.1.2.2.1.2.2.1.2.2.1.3.1.3.3.4）。 　　接下来，我们研究了与它们进化的自由生活生物相对于它们的PPC和藻植物的PPC和核酸蛋白质组的降低 。我们使用了25个KOG功能类别中每个KOG标识符的数量 ，以衡量B. natans和G. theta ppc发生的生化过程的多样性（考虑到核数据编码的蛋白质）（补充信息1.9.4.3）
。总共将237和452个唯一的KOG标识符分别分配给B. natans和G. theta PPC蛋白质组数据集（补充表1.9.4.3.1）。对于大多数KOG类别
，G 。theta和B. natans中的KOG标识符数量<<natans的25％的平均水平的25％（含有原发性和继发性质体的藻类以及异养分子的藻类；图2B和补充信息1.9.4.3）
。Some functional categories are, predictably, completely absent in both organisms (for example, n = cell motility), whereas in G. theta the number of KOG identifiers in three different KOG categories exceeds 40% of the ‘free-living’ average (category J (translation, ribosomal structure and biogenesis), G (carbohydrate transport and metabolism) and P (inorganic ion transport and metabolism); Fig.2b）。总而言之，隐藻植物和卫生植物的PPC高度降低 ，但保留了出乎意料的生化过程 。These data provide the basis for addressing many fundamental questions about algal cell biology, including how many homologues of G. theta and B. natans PPC proteins are retained in the nucleomorph-lacking PPC of algae such as diatoms and haptophytes21, and what exactly are the biochemical determinants of the protein trafficking pathways in cryptophytes, chlorarachniophytes and other含质质藻1,27。在G. theta和B. natans中
，有意义的数百个预测的PPC和核苷蛋白，具有未知功能 （补充表1.9.4.1.1）将是一个重大挑战
。