1700262368
生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256372]
1700262369
·一通百通·
1700262370
1700262371
移位酶可以把核酸这样的大分子运送到细胞膜外面去，这是个极好的“原型”，只要稍微加工一下，共祖就能一通百通，把各种各样的蛋白质也送到细胞膜外面去，进化出千变万化的分泌功能了。
1700262372
1700262373
最开始，共祖可以分泌一些没什么规则，但是比较黏的蛋白质，把自己牢牢粘在最有利的生存环境，比如白烟囱里氢离子梯度非常显著的某处管壁上。直到今天，细菌和古菌仍然用类似的方式黏附在物体表面，使你不得不找牙医来定期清洁。
1700262374
1700262375
接着，共祖分泌出去的蛋白质如果形状规则，能够一个接一个地粘成一串，共祖就会像聚会上的罐装丝带一样喷出去一条绳索。绳索可是个好东西，它能以最少的材料连接空间中的两个物体，并且以简单的受力方式拉近这两个物体，或者说得通俗一些，共祖可以拽着这根喷出去的绳子，爬到别的地方去，或者把别的东西拉过来。
1700262376
1700262377
想想看，性菌毛不正是这样一条绳索吗？
1700262378
1700262379
我们在原核生物的细胞膜上发现了许许多多专门分泌大分子物质的蛋白复合物，它们被统称为“分泌系统”，其中被称为“Ⅲ型分泌系统”和“Ⅳ型分泌系统”的两种特别值得我们注意，因为它们的核心结构都是酷似“碾子”的六元环，库宁在他的论文里只讨论了前者，但这本书也很愿意介绍一下后者，因为这个Ⅳ型分泌系统与我们刚才所说的一切都有密切的关系，它就是细菌和古菌构造性菌毛的“原型”。
1700262380
1700262381
如图5—20，Ⅳ型分泌系统包括了一整套跨膜通道，贯通了整个细胞膜和细胞壁，下方还有一对很关键的“蛋白质移位酶”，涂成了蓝色，也是六元环，被称为“TrwK”。在细菌准备接合的时候，这对TrwK会不断地转动，把很多蛋白质送到细胞膜外侧，堆积起来，组装成一条很长的管道，这条管道，就是性菌毛。
1700262382
1700262383
而性菌毛末端很黏，一旦粘住了其他细胞，又会发生一些形态上的变化。这种变化会像多米诺骨牌一样，从末端一直传回基部，基部的TrwK就开始倒转，从基部开始把那些蛋白颗粒全都拆下来送走，整根性菌毛就会因此不断缩短，把那个粘住了的细胞拽过来。
1700262384
1700262385
当两个细胞紧紧贴合住，前面提到的TrwB就会发挥作用了，它会把接合质粒中的一股抽出来，顺着性菌毛的管道送出去，一直送到另一个细胞那里去。
1700262386
1700262387
在这整个过程中，TrwK不仅发挥了至关重要的作用，还给我们提供了许多关于起源的线索。
1700262388
1700262389
首先是TrwK在进化上与TrwB有着密切的联系，它们由同一个质粒编码，拥有非常酷似的基本结构，都是六个单位构成环，都是在环的缝隙里水解ATP作为运动的能量VII。
1700262390
1700262391
1700262392
1700262393
1700262394
图5—20 革兰氏阴性细菌[4]的IV型分泌系统的结构示意图。图5—19实际上是这个图的一部分，而且为了表现清晰，这个图示省略了很多蛋白质。（作者绘）
1700262395
1700262396
所以我们进一步发现TrwB和TrwK竟然相似到了可以“混用”的地步VIII。在图5—19中，我们看到TrwB需要固定在一个跨膜通道附近，才能把DNA送出细胞。那个跨膜通道当然就是Ⅳ型分泌系统的跨膜通道，但TrwB究竟固定在哪里，却在不同的细胞里有两种可能：一种是1个完整的TrwB六元环依靠在2个TrwK六元环的侧面，3个六元环呈“品”字形排布；另一种则是TrwB只提供4个单元，2个TrwK各提供1个单元，在正中形成1个混合的六元环，3个六元环的关系就像“目”字。
1700262397
1700262398
最后，这个Ⅳ型分泌系统即便不输出DNA，也可以派上大用场：首先，那根性菌毛如果不是粘住了另一个细胞，而是粘住了什么固体的表面，那么撤回这根性菌毛就能让细胞像攀岩一样爬起来，这有助于它们转移到更好的地方去。或者，这根性菌毛也可以非常短，将将伸出细胞膜，但是末端能够粘住DNA，那就可以俘获其他细胞释放的DNA，供自己利用了。当然，Ⅳ型分泌系统既然叫作分泌系统，也可以直接分泌各种各样的蛋白质，去毒杀或者诱导其他细胞，比如百日咳和军团病发病就是因为人类的肺部细胞被致病菌的Ⅳ型分泌系统注射了协助感染的毒力蛋白。更加惊人的是，古菌能够用Ⅳ型分泌系统制造一根特别粗且长的性菌毛，然后让它从基部旋转起来，这根性菌毛也就立刻变成了古菌的鞭毛，可以推动古菌在液体环境里游泳了。我们现在已经相当确定古菌的鞭毛就像倒转的ATP合酶一样，是靠水解ATP驱动的。唯一遗憾的是，直到这本书写成的时候，古菌鞭毛的动力机制仍未被人类充分揭示。IX
1700262399
1700262400
1700262401
1700262402
1700262403
图5—21 TrwB和TrwK有两种可能的组合方式，左边那种“侧面输出”就是如图5—20里的局部结构，DNA移位酶的六元环完全由TrwB构成；而在右边那种“中央输出”的组合方式里，DNA移位酶由4个TrwB单元和2个TrwK单元构成。（作者绘）
1700262404
1700262405
这给我们的猜测提供了非常强力的佐证：基因的横向转移给共祖带来了显著的适应优势，那套六元环和跨膜通道构成的移位酶因此迅速被自然选择相中，为多种功能提供了突变的原型。TrwB与TrwK极其类似，不但能共享一个跨膜通道，还能形成混合的六元环，但只要二者在不同的情况下切换工作，就能实现接合、运动和蛋白分泌等不同的功能——旧结构产生新功能，进化正是用这种绝活制造了无数的“奇迹”。
1700262406
1700262407
既然说到了鞭毛和运动，也说到了旧结构产生新功能，我们就立刻回到了序幕的第二篇“延伸阅读”。
1700262408
1700262409
大概的情况就如图5—22所示，细菌的鞭毛就是一个特化的Ⅲ型分泌系统。这个分泌系统首先会分泌一些能够互相拼接的蛋白质，在细胞膜外的出口处组装成一根“针管”，然后就可以用这根针管刺入目标细胞，再把某些蛋白质顺着针管注射进去了。而在进化中，某些细菌的Ⅲ型分泌系统制造了很粗而且长得不得了的针管，这就形成了一根鞭毛；同时又在周围结合了一些离子通道，于是细胞膜外侧那些高浓度的氢离子或者钠离子就会顺着通道涌进来，推动整个鞭毛高速旋转起来了。
1700262410
1700262411
1700262412
1700262413
1700262414
图5—22 左侧是细菌的鞭毛，中间是III型分泌系统，右侧是ATP合酶，相同的颜色代表了相同来源的蛋白质——图序—32是这张图的一部分。（作者绘）
1700262415
1700262416
令我们感到亲切的是，重新回去看图序—32，你会注意到，在Ⅲ型分泌系统或者细菌鞭毛的核心部位有一个“ATP酶组合”，正是一个轮子、一个碾子，还搭配了架子和棍子，这整套组合与ATP合酶有着相同的进化来源，它们的功能也的确是给蛋白质提供穿过针管的动力。X所以，在库宁的ATP合酶的起源图景中，Ⅲ型分泌系统就是ATP合酶的进化旁支。当然，在我们看来，Ⅳ型分泌系统也很可能有相似的进化历程。
1700262417