Những cơ chế tiến hóa nào có thể giải thích cho nguồn gốc và sự bảo thủ của các hệ thống truyền tín hiệu giữa các tế bào ở các sinh vật nhân sơ đơn bào

Các hệ thống truyền tín hiệu ở sinh vật nhân sơ (ví dụ hai thành phần tín hiệu hai‐component systems, quorum sensing, các kênh cảm nhận hóa học, v.v.) đều là sản phẩm của nhiều cơ chế tiến hóa phối hợp, trong đó nổi bật nhất là: 1. Đột biến gen và nhân đôi gen (gene duplication + divergence) - Nhân đôi toàn bộ gen hoặc các miền (domain) chuyên biệt của protein (thường là các kinase, phosphatase, các yếu tố phiên mã) tạo ra bản sao. - Sau khi nhân đôi, từng bản sao chịu áp lực đột biến khác nhau, một bản sao có thể giữ chức năng gốc, bản kia mở đường cho việc “thử nghiệm” chức năng mới (neofunctionalization) hoặc chuyên biệt hóa một bước trong đường truyền tín hiệu (subfunctionalization). 2. Trao đổi gen ngang (horizontal gene transfer – HGT) - Nhiều hệ thống tín hiệu được truyền từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác qua plasmid, phage hoặc các cấu trúc DNA di động. - HGT giúp lan tỏa nhanh các module tín hiệu đã được “thử thách” về mặt thích nghi, đặc biệt trong môi trường có áp lực chọn giống nhau (ví dụ đáp ứng với tín hiệu dinh dưỡng hoặc stress). 3. Trộn ghép miền tín hiệu (domain shuffling) - Các protein truyền tín hiệu thường có cấu trúc module: miền nhận tín hiệu (sensor domain), miền truyền tín hiệu (transmitter domain), miền gắn DNA (output domain)… - Việc trao đổi hoặc ghép nối các miền này với nhau theo nhiều tổ hợp khác nhau tạo ra các khả năng nhận diện và phản hồi mới, đồng thời vẫn giữ lại khung truyền tín hiệu cơ bản (histidine kinase → phosphotransfer → response regulator). 4. Lựa chọn tự nhiên và bảo thủ chức năng (purifying selection & functional constraint) - Khi một hệ thống tín hiệu đã được “kiểm chứng” là hiệu quả (về tốc độ đáp ứng, độ chính xác, khả năng điều chỉnh ngược), những biến đổi lớn trên các thành phần cốt lõi thường bị đào thải qua chọn lọc tiêu cực. - Điều này dẫn đến sự bảo tồn cao về thứ tự amino acid ở các miền chức năng quan trọng (ví dụ His‐kinase, Asp‐receiver). 5. Tích hợp mạng lưới (network integration) - Các đường truyền tín hiệu không hoạt động độc lập mà thường được kết nối thành mạng lưới rộng lớn, với nhiều điểm chồng chéo (crosstalk) và vòng hồi tiếp (feedback loops). - Sự phụ thuộc lẫn nhau càng lớn thì càng ít có cơ hội cho các biến thể “cách tân” hoàn toàn, vì thay đổi một mắt xích có thể gây mất ổn định cả hệ. 6. Tính linh hoạt và thích nghi môi trường - Ở mức độ quần thể, các vi khuẩn có thể trải qua chọn lọc mà theo đó những cấu hình tín hiệu nào giúp phản ứng nhanh với tín hiệu cộng đồng (quorum sensing), tín hiệu dinh dưỡng hay stress sẽ được ưu tiên nhân giống. - Quá trình này vừa góp phần tạo ra các biến thể mới, vừa loại trừ những cấu trúc kém hiệu quả, nhờ đó vừa duy trì được tính bảo thủ (core conservation) vừa cho phép xuất hiện điều biến cục bộ (local adaptation). Tóm lại, nguồn gốc phong phú của các hệ thống truyền tín hiệu ở sinh vật nhân sơ là kết quả tương tác của cơ chế nhân đôi và phân kỳ gen, trao đổi gen ngang, trộn ghép miền tín hiệu, cùng với các áp lực chọn tự nhiên duy trì chức năng lõi và sự tích hợp chặt chẽ trong mạng lưới tế bào. Những cơ chế này vừa tạo ra đa dạng hóa ban đầu, vừa duy trì mức độ bảo tồn cao ở các thành phần thiết yếu.