从家族到功能：描绘一个蛋白质的进化树

Jim Kling

    在19世纪早期，达尔文经过长时间在加拉帕哥斯群岛附近对鸟类进行仔细而艰苦的研究，提出了新物种的进化是自然选择和适者生存的结果，这些结论震惊了当时的科学界。

    谢天谢地，如今一切都比以前更加进步了，现代生物学家们进行研究不必再依靠那些可怕的海上旅行了。今天的达尔文的信徒们可以将大部分的时间花在实验室中，将各种遗传学数据进行分类，从这些数据中找出那些奇特的代表动植物物种之间进化关系的系统发生树。

    Olivier Lichtarge博士，Baylor医学院的分子与人类遗传学的助教授说，和物种一样，蛋白质也存在进化关系，就某一类蛋白质而言，这种进化树图可以用来预测蛋白质活性位点和结合位点的关键氨基酸残基。

    有了这种预见，研究人员在研究一个酶或者蛋白质的性质，研究其活性位点的关键氨基酸残基时就可以避免象以往一样盲目地做大量的定点诱变实验。Olivier Lichtarge说这种思路有助于最大限度地减少或者推迟进行对蛋白质进行例如定点突变一类的生化实验，降低工作量。

    以G蛋白信号调节元件（Regulators of G protein Signaling ，RGS's)为例。正如其名字一样，这类蛋白与G蛋白反应，关闭G蛋白，并在许多生物反应进程中起重要作用。在多种不同的动物中的RGS序列都已测出——序列分析比较显示，这类蛋白的某些区域在种属关系很近的物种中是高度保守的，而在远亲中相差较大。Lichtarge博士假设这些关键氨基酸残基组成的结合位点和活性位点随时间进化而表现出不同的功能,并保留了进化的结果。

    研究生M. Sowa在进行利用进化示踪（Evolutionary Trace，ET）的方法研究G蛋白信号调控元件（RGS）家族以确认调控蛋白活性的关键的结构域。去年这个小组发表了有关预测的文章，用ET法研究RGS家族，可以在RGS上找到了一些新的、在进化过程中有特殊作用、同时又与调控RGS活性相关的位点。在RGS7和RGS9这两个有不同活性的蛋白质中有65个氨基酸不同，经过ET法对序列数据进行分析，可以找出6个与功能直接相关的关键的残基位点。对RGS7进行定点诱变实验，实验结果表明，改变其中3个足以使RSG7活性改变为RSG9活性，证实了这种预测的准确性。由于可以将突变分析集中于几个氨基酸上，研究人员节约了大量时间和精力。

    这种思路有助于减少结构分析中的工作量。分子生物学主要是研究结构和功能的关系。然而这是非常困难的，由于结构本身很难与功能联系起来——它只是空间中一堆原子的重叠——而你又没有预知的数据指出哪里是关键哪里不重要。然而一旦你预测哪些氨基酸在进化过程中起重要作用，你就可以在那些的关键残基集中的位置进行蛋白质工程或药物改造实验。

    这种进化示踪的思路的优点在于，如果你走错了路，在动手实验之前你就会发现自己的错误。“如果你的数据是对的，你可以开始实验去研究那些残基，如果你错了，你就得不到任何结果，这就是运算法则的好处，它不会给你一些错的残基信息。”

    Lichtarge说这种方法的局限在于一个蛋白质家族中这些序列的数目和进化的广度。到目前为止，在超过12类蛋白质的详细研究中，这种思路能够很好地应用于那些已知序列数目超过15到20个以上的蛋白质。由于基因组计划的推进将会测出更多的蛋白序列，这方法的局限性就会随之降低。“我们正在努力，看我们是否能够将这种思路推广到更多的蛋白。”

    摆在结构基因组学的一个重大挑战是如何从如何从蛋白质结构中提取和功能有关的信息。研究结构的生物学家需要这种帮助。Lichtarge认为结构基因组学在未来10年内要研究1万个新蛋白的结构，对所有这些蛋白（的各个氨基酸残基）都作定点诱变分析是不可能的。对于多数蛋白质的结构，我们不清楚它们的功能位点在哪里、有什么功能，而利用进化轨迹的方法，我们希望至少可以重新获得部分在进化过程中已经发生的事件的信息。

Darwin should have had it so easy.