水稻研究揭示蛋白质进化的奥秘

莱斯大学的Peter Wolynes及其研究团队在理解特定基因序列(即假基因)如何进化方面取得了突破。他们的论文于 5 月 13 日发表在《国家科学院院刊》上。

该团队由 DR Bullard-Welch 基金会科学教授、化学、生物科学、物理学和天文学教授以及理论生物物理中心 (CTBP) 联合主任 Wolynes 领导，致力于破译与假基因相对应的去进化、假定蛋白质序列的复杂能量景观。

假基因是曾经编码蛋白质的 DNA 片段，但由于序列退化而失去了编码能力——这种现象被称为退化。在这里，退化代表一种不受约束的进化过程，这种过程发生在没有通常的进化压力(调节功能性蛋白质编码序列)的情况下。

尽管假基因处于非活性状态，但它为了解蛋白质的进化历程提供了一个窗口。

“我们的论文解释了蛋白质可以退化，”沃林斯说。“DNA 序列可以通过突变或其他方式丢失指示其编码蛋白质的信号。DNA 会继续突变，但不一定会导致可以折叠的序列。”

研究人员研究了退化基因组中的垃圾 DNA。他们的研究表明，假基因序列中的突变积累通常会破坏稳定相互作用的天然网络，使得这些序列(如果要翻译的话)很难折叠成功能性蛋白质。

然而，研究人员观察到某些突变意外地稳定了假基因的折叠，但却以改变其先前的生物学功能为代价的情况。

他们发现了特定的假基因，例如环丝氨酸蛋白酶 A、原肌球蛋白 1 和小泛素样修饰蛋白 2，其中稳定突变发生在与其他分子结合和其他功能至关重要的区域，表明蛋白质稳定性和生物活性之间存在复杂的平衡。

此外，该研究强调了蛋白质进化的动态性质，因为一些以前假化的基因尽管经历了多次突变，但可能会随着时间的推移恢复其蛋白质编码功能。

研究人员利用复杂的计算模型，解释了物理折叠景观与假基因进化景观之间的相互作用。他们的发现证明，折叠景观的漏斗状特征源自进化。

“蛋白质可能会因为突变或其他原因而退化，其折叠能力会随着时间的推移而受到损害，”沃林斯说。“我们的研究首次提供了直接证据，证明进化正在塑造蛋白质的折叠。”

除了沃利尼斯之外，研究团队成员还包括主要作者、应用物理学研究生Hana Jaafari、CTBP博士后研究员Carlos Bueno、德克萨斯大学达拉斯分校研究生 Jonathan Martin、德克萨斯大学达拉斯分校生物科学系副教授 Faruck Morcos 以及 CTBP 生物物理学研究员 Nicholas P. Schafer。

贾法里表示，这项研究的意义不仅限于理论生物学，还具有在蛋白质工程领域的潜在应用。

“如果实验室的某个人能证实我们的结果，看看那些物理上更稳定的假基因会发生什么，那将很有趣，”贾法里说。“根据我们的分析，我们有一个想法，但得到一些实验验证将很有说服力。”

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