蛋白质的结构并不是一成不变的

rubisco是一种被认为是地球上最丰富的蛋白质，对它的一项新研究表明，蛋白质可以轻易地改变其惊人的结构排列。这些发现揭示了许多我们认为知道的蛋白质实际上以其他形式存在于其他未知的形状。

　　

在过去的一个世纪里，科学家们开发和部署了惊人的技术，如X射线晶体学和冷冻电子显微镜来确定蛋白质的结构，从而回答了无数重要的问题。但新的研究表明，理解蛋白质结构有时比我们想象的要复杂。

来自劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的一组研究人员研究了世界上最丰富的蛋白质，一种参与光合作用的酶rubisco，展示了进化如何导致分子组装的惊人多样性，这些分子组装完成了相同的任务。今天发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的这一发现揭示了一种可能性，即许多我们以为我们知道的蛋白质实际上以其他未知形状存在。

从历史上看，如果科学家解决了一个结构，并确定一个蛋白质是二聚体(由两个单位组成)，他们可能会假设类似的蛋白质也以二聚体的形式存在。但小样本量和取样偏差——这是不可避免的因素，因为很难将天然液体蛋白质转化为可以通过X射线晶体学检查的固体、结晶形式——掩盖了现实。

“这就像你走在外面，看到有人在遛狗，如果你以前从未见过狗，然后看到腊肠狗，你会想，‘好吧，这就是所有狗的样子。’”但你需要做的是去狗公园，看看那里所有的狗的多样性，”该研究的主要作者Patrick Shih说，他是生物科学领域的教员科学家，也是联合生物能源研究所(JBEI)植物生物系统设计主任。“这篇论文的一个结论超越了rubisco，涵盖了所有蛋白质，这是一个问题，我们是否看到了自然界中结构的真实范围，或者这些偏见让一切看起来像腊肠狗。”

Shih的实验室利用伯克利实验室的高级光源，与生物科学区结构生物学专家合作，希望探索狗公园中所有不同的rubisco排列，并了解它们的来源。该团队一起研究了一种在细菌和光合微生物中发现的rubisco(形式II)，使用传统的晶体学(一种能够达到原子级分辨率的技术)，结合另一种结构解决技术，小角度X射线散射(SAXS)，分辨率较低，但可以拍摄蛋白质在液体混合物中的原始形态。SAXS还有高通量能力的额外优势，这意味着它可以快速连续地处理几十个单独的蛋白质组合。

先前的研究表明，在植物中发现的rubisco(形式I)通常采用8个大蛋白质单元和8个小蛋白质单元排列的“八聚体核心”组合，而形式II则被认为主要以二聚体形式存在，很少有6个单元六聚体的例子。在使用这些互补技术检查了来自不同种类微生物的rubisco样本后，作者观察到大多数形式II rubisco蛋白质实际上是六聚体，偶尔有二聚体，他们发现了一种从未见过的四聚体(四个单元)组装。

将这些结构数据与各自的蛋白质编码基因序列相结合，使得研究团队能够进行祖先序列重建——这是一种基于计算机的分子进化方法，可以根据祖先蛋白质进化而来的现代蛋白质的序列和外观来估计祖先蛋白质的样子。

重建表明，II型rubisco基因在其进化史中发生了改变，产生了一系列结构的蛋白质，可以转变成新的形状或很容易恢复到旧的结构。相反，在进化过程中，选择性压力导致了一系列的变化，锁定了I rubisco的位置——这一过程被称为结构堑沟——这就是为什么八聚体组装是我们现在看到的唯一排列。根据作者的说法，我们假设大多数蛋白质组装是随着时间的推移，通过选择性压力来完善它们的功能，就像我们看到的形式I rubisco一样。但这项研究表明，进化也有利于柔性蛋白质。

同时也是加州大学伯克利分校助理教授的Shih说:“这篇论文的重大发现是，它具有很大的结构可塑性。在整个领域，蛋白质可能比我们想象的要灵活得多。”

在完成祖先序列重建后，研究小组进行了突变实验，以观察改变rubisco组装(在这种情况下，将六聚体分解为二聚体)如何影响酶的活性。出乎意料的是，这种诱变产生了一种rubisco，这种rubisco可以更好地利用其目标分子CO₂。所有自然发生的rubisco经常意外地与大小相似的O₂分子结合，降低了酶的生产力。在农业植物物种中，对rubisco进行基因改造以增加该蛋白对二氧化碳的亲和力，从而生产出更高产和资源效率更高的作物，这是一项非常有意义的研究。然而，人们一直在关注蛋白质的活性位点——即二氧化碳或氧气结合的蛋白质区域。

“这对我们来说是一个有趣的见解，因为它表明，为了获得更富有成效的rubisco工程结果，我们不能只看最简单的答案，酶的区域实际上与二氧化碳相互作用，”第一作者Albert Liu说，他是Shih实验室的一名研究生。“也许在这个活性位点之外有突变，它们实际上参与了这种活动，并可能以我们想要的方式改变蛋白质功能。所以这真的为未来的研究打开了大门。”

合著者Paul Adams副总裁补充说:“采用的技术的混合和团队的跨学科性质是成功的真正关键。这项工作强调了结合基因组数据和结构生物学方法来研究生物学中最重要的问题之一的力量，并得出了一些意想不到的结论。”

结构生物学实验是在伯克利实验室的高级光源(ALS)进行的，它是能源部(DOE)科学办公室的用户设施。SYBILS光束部分由美国能源部生物与环境研究办公室资助。X射线晶体学是在伯克利结构生物学中心进行的。

Albert K. Liu, Jose H. Pereira, Alexander J. Kehl, Daniel J. Rosenberg, Douglas J. Orr, Simon K. S. Chu, Douglas M. Banda, Michal Hammel, Paul D. Adams, Justin B. Siegel, Patrick M. Shih. Structural plasticity enables evolution and innovation of RuBisCO assemblies. Science Advances, 2022; 8 (34)