厦门大学PNAS发文揭示生物对环境温度的适应机制

研究人员开展了海洋软体动物蛋白质温度适应机制的研究，揭示了软体动物细胞质苹果酸脱氢酶（cMDH）结构稳定性和功能适应性的趋同进化模式。

　　

在国家自然科学基金项目（项目编号：41776135、41476115）等资助下，厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室董云伟教授、斯坦福大学George N. Somero 教授等研究者合作，开展了海洋软体动物蛋白质温度适应机制的研究，揭示了软体动物细胞质苹果酸脱氢酶（cMDH）结构稳定性和功能适应性的趋同进化模式。

研究成果以“Structural Flexibility and Protein Adaptation to Temperature: Molecular Dynamics Analysis of Malate Dehydrogenases of Marine Molluscs”（蛋白质温度适应及结构的柔性：海洋软体动物细胞质苹果酸脱氢酶的分子动力学分析）为题，于2018年1月23日在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America （PNAS，《美国科学院院刊》）在线发表。

为适应不同的生境温度，酶分子需要保持稳定性（Stability）和柔性（Flexibility）之间的平衡，在一定温度范围内，既可以保持稳定性，也可以维持活性。

这是生物对环境温度的长期进化适应。在高潮间带耐高温贝类中，cMDH局部柔性的增长使酶在较低的温度下能维持催化功能，并在高温条件（>55 °C）保持结构稳定和催化功能（DOI: 10.1242/jeb.156935; 国家自然科学基金41476115资助）。该研究以具有不同水平和垂直分布、生境原位温度跨度达60 °C的五个属12种海洋软体动物为研究对象，结合生化实验手段和计算机模拟实验方法，进一步定量测定了cMDH的稳定性和蛋白质柔性变化程度。

图1. A) 分布于不同纬度及潮高的海洋软体动物具有不同的热耐受性；B) 随温度升高，冷适应物种cMDH表现出更明显的稳定性和活性下降趋势，与物种的热耐受性对应；C) 蛋白质骨架原子热诱导运动程度（Root Mean Square Deviation, RMSD）与生物适应温度之间存在显著的负相关关系；D) 当温度从15 °C升到42 °C，柔性变化（Root Mean Square Fluctuation, RMSF）>0.5Å的氨基酸残基数随生物适应温度升高而降低。

研究发现，随温度升高，冷适应蛋白质稳定性和活性下降趋势更明显。蛋白质骨架原子热诱导运动程度（RMSD）与生物适应温度之间存在显著的负相关关系；当温度从15 °C升到42 °C，柔性变化（RMSF）>0.5 Å的氨基酸残基数随生物适应温度升高而降低。该研究还定位了温度适应性变化发生的位点/区域，描述了海洋软体动物cMDH结构稳定性和功能适应性的趋同进化模式。

该项研究分析了海洋软体动物在生化水平上的温度适应策略，有助于进一步了解生物对温度的适应机制；对于查明环境温度对生物分布的影响及其机制，预测气候变暖的生态学效应具有重要意义。

原文标题：

Structural Flexibility and Protein Adaptation to Temperature: Molecular Dynamics Analysis of Malate Dehydrogenases of Marine Molluscs