研究人员揭示了重要蛋白质的进化路径

威斯康星大学麦迪逊分校的一项新研究破译了调节蛋白的进化途径，这种分子有助于控制基因表达。虽然一些蛋白质可以逐渐进化来改变它们的功能，有时甚至在这个过程中执行多种功能，但调节蛋白质有一个更微妙的系统来平衡。拉曼和他的团队相信，他们的研究在转录调节因子中揭示的进化模式也可能在其他调节蛋白中观察到。深入了解转录调控因子的进化图景将有助于科学家设计新的调控因子来控制基因回路、感知分子、工程生物合成途径和监测细胞代谢物，为新的生物医学和生物技术发现打开大门。

　　

威斯康星大学麦迪逊分校的一项新研究破译了调节蛋白的进化途径，这种分子有助于控制基因表达。

来自生物化学系拉曼实验室的研究结果最近在《细胞系统》杂志上发表。以下是他们的发现:

• 随着时间的推移，细胞适应环境的变化，蛋白质通过进化过程获得和失去功能。

• 蛋白质进化在某些酶中得到了很好的研究，但在帮助控制基因表达的调节蛋白中研究不足。

• 一项对一种调节蛋白进化的新的全面研究揭示了蛋白质如何随着时间的推移而进化获得和失去功能，这在不同种类的蛋白质之间是不同的。虽然一些蛋白质以循序渐进的方式进化，随着时间的推移慢慢地获得或失去功能，但负责控制重要功能(如基因表达)的蛋白质遵循一种进化模式，保护它们不同时执行多种功能。

你需要了解哪些背景信息?

达尔文对加拉帕戈斯群岛的雀类进行了著名的描述，它们经常被用作进化的典型例子。随着时间的推移，自然发生的基因突变导致了鸟类外表的小而渐进的变化。给雀类带来优势的变化传给了后代，最终产生了各种各样的喙和身体形状，以适应各种饮食和觅食技术。

生物分子也会随着时间的推移而进化，以获得新的功能，并随着细胞环境的变化而失去不必要的功能，例如暴露于新分子或病原体的引入。这种进化是一个持续的过程，有利于突变，使生物体有效和高效地运作。

例如，科学家们知道酶——一类负责启动和加速生化反应的蛋白质——是逐步进化的。个体突变累积起来，最终赋予这种酶在细胞中的新功能。

但这种进化模式并不适用于所有种类的蛋白质。

为什么蛋白质的进化模式不同?

虽然一些蛋白质可以逐渐进化来改变它们的功能，有时甚至在这个过程中执行多种功能，但调节蛋白质有一个更微妙的系统来平衡。

调节蛋白帮助控制基因表达，像电灯开关一样开启和关闭基因。如果单个开关控制多个基因的表达，那么仅控制其中一个基因的表达就会变得更加困难。这就是为什么调节蛋白通常具有有限的功能:执行多种相关功能可能导致灾难性的影响，包括细胞死亡，基因表达改变或细胞分裂失控，这可能导致肿瘤。当蛋白质的功能如此重要和复杂时，突变和进化的风险更高。

科学家是如何取得进展的?

为了更好地理解调节蛋白的进化轨迹，Vatsan Raman和他实验室的研究人员绘制了一种被称为转录调节蛋白的特定调节蛋白几千年来的进化图谱。这种蛋白质有助于控制RNA从DNA合成的速率。

他们利用计算机模型推断出蛋白质突变的可能历史。与过去的研究相比，这种方法为他们提供了数百个代表蛋白质进化史的DNA序列。利用这些数据，他们追踪了蛋白质可能的突变——以及由此产生的功能的获得和丧失——揭示了一种新的进化模式。

与酶的逐步模式相反，转录调节蛋白在获得突变时迅速获得或失去功能。这种快速变化有助于它们保持与特定分子结合的单一作用，从而防止它们同时发挥多种作用。

拉曼和他的团队相信，他们的研究在转录调节因子中揭示的进化模式也可能在其他调节蛋白中观察到。深入了解转录调控因子的进化图景将有助于科学家设计新的调控因子来控制基因回路、感知分子、工程生物合成途径和监测细胞代谢物，为新的生物医学和生物技术发现打开大门。

本研究部分由美国国立卫生研究院院长新创新者奖DP2GM132682和五大湖生物能源研究中心，美国能源部，科学办公室，生物和环境研究办公室资助，奖励号为DE-SC0018409。