进化重构:“无中生有”的新蛋白质

蛋白质的灵活性

蛋白质的柔韧性区域:不太柔韧性(蓝色),中等柔韧性(绿色/黄色)和高度柔韧性(红色)。然而,与蛋白质的其他部分相比,中央α螺旋和n端(蛋白质的起始端)显示出稳定的折叠。信贷:亚当Damry

一个国际研究小组调查了进化是如何在果蝇中形成一种新出现的蛋白质的结构和功能的。

蛋白质是所有现代生活形式的关键组成部分。例如,血红蛋白在我们的血液中运输氧气;植物叶片的光合作用蛋白将阳光转化为能量;真菌酶帮助我们酿造啤酒和烘烤面包。研究人员长期以来一直在研究蛋白质如何在千年期间变异或存在的问题。

这种全新的蛋白质——以及由此产生的新特性——实际上可以从虚无中产生,这在过去几十年里是不可想象的,正如希腊哲学家巴门尼德所说:“虚无不能产生任何东西”。(Ex Nihilo Nihil Fit)。研究人员与来自美国和澳大利亚的同事一起工作明斯特大学现在已经重建了进化是如何在果蝇中形成一种新出现的蛋白质的结构和功能。这种蛋白质对男性生育能力至关重要。研究结果发表在该杂志上自然通讯

背景

到目前为止,人们一直认为新的蛋白质会从已经存在的蛋白质中产生——通过潜在基因的重复和一个或两个基因副本的一系列小突变。然而,在过去的十年里,人们对蛋白质进化有了新的认识:蛋白质也可以从所谓的非编码进化而来DNA(脱氧核糖核)——换句话说,从正常情况下不产生蛋白质的那部分遗传物质中,然后发育成有功能的细胞成分。

这是令人惊讶的原因:多年来,已经假设,为了功能性,蛋白质必须采用高度发达的几何形式(“3D结构”)。进一步假设这种形式不能从随机出现的基因产生,但是需要一种氨基酸的复杂组合,使得该蛋白质以其功能形式存在。

果蝇交配

果蝇(此处显示的是正在交配的果蝇)作为研究模型。信贷:Mareike小山

尽管有数十年的尝试,全世界的研究人员尚未成功地构建具有所需的3D结构和功能的蛋白质,这意味着为形成功能蛋白质的“代码”基本上是未知的。虽然这项任务仍然是科学家的难题,但在新的蛋白质的形成中,性质已经证明是更擅长的。由Erich Bornberg-Bauer教授领导的研究人员,从Münster大学的进化和生物多样性研究所发现,通过比较了许多生物中的新分析的基因组,该物种不仅通过适应的重复蛋白质编码基因而不同在进化过程中。此外,蛋白质不断形成新创(“新”)-即没有任何相关的前体蛋白经过一个选择过程。

绝大多数这些de novo蛋白质是无用的,甚至有点有害,因为它们可以干扰细胞中的现有蛋白质。在几代后,这种新的蛋白质迅速丢失,因为携带编码蛋白质的新基因的生物受损的生存或繁殖。然而,选择少数德诺蛋白质证明具有有益功能。这些蛋白质集成到细胞的分子组分中,最终,经过数百万年的微小修改后,变得不可或缺。

在这种情况下,有一些重要的问题是许多研究人员想知道的:这些新的蛋白质在出生时是怎样的?他们是如何改变的?作为“新成员”,他们又扮演了哪些角色?在Münster上,Bornberg-Bauer教授的研究小组的带领下,一个国际研究小组通过研究果蝇蛋白质“Goddard”,详细地回答了这个问题。Goddard是一种果蝇蛋白质,对男性生育能力至关重要。

方法

这项研究在三个大洲的三个相关前沿进行。在美国马萨诸塞州的圣十字学院,Prajal Patel博士和Geoff Findlay教授使用CRISPR/Cas9基因组编辑技术表明,不能产生戈达德的雄性果蝇是不育的,但其他方面是健康的。

与此同时,andreas博士和博士生博德博士博览会的博览会教授的汇流集团使用生化技术来预测当天苍蝇中新型蛋白质的形状。然后,他们使用进化方法在蛋白质首次出现时重建九百万年前戈达德的可能结构。

他们的发现相当令人惊讶:“戈达德祖先的蛋白质看起来已经非常像今天存在于苍蝇物种中的蛋白质了,”Erich Bornberg-Bauer解释道。“从一开始,戈达德就包含了一些结构元素,即所谓的α螺旋,这被认为是大多数蛋白质所必需的。”

为了证实这些发现,现场转移到澳大利亚国立大学在堪培拉,亚当·纳米博士和科林杰克逊教授使用密集的计算模拟,以验证戈达德蛋白的预测形状。他们验证了Lange博士的结构分析,并表明戈达德尽管是年轻的时代,但已经非常稳定 - 尽管与大多数据信已经存在的飞行蛋白质不一样稳定,但也许数百万年。

这一结果与目前其他几项研究相符,这些研究表明,编码蛋白质基因的基因组元素经常被激活——在每个个体中,激活次数高达数万次。然后这些碎片通过进化选择的过程被“分类”。那些无用或有害的——绝大多数——很快就被丢弃了。但是那些中性的,或者稍微有益的物质,可以经过数百万年的优化,变成有用的东西。

参考文献:“中一个假定的新生基因的结构和功能特征。果蝇作者:Andreas Lange, Prajal H. Patel, Brennen Heames, Adam M. Damry, Thorsten Saenger, Colin J. Jackson, Geoffrey D. Findlay和Erich Bornberg-Bauer, 2021年3月12日,自然通讯
DOI:10.1038 / S41467-021-21667-6

资金:通过肽和蛋白质科学和综合生物学(澳大利亚)的卓越卓越中心,从NSF中获得了欧洲赠款和创新框架计划第722610号(Münster),从欧洲赠送框架计划第722610(Münster)中获得资金。yabo124职业格兰特#1652013(美国)。

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