RNase A样和胰蛋白酶样丝氨酸蛋白酶中保守结构拓扑的序列折叠分析揭示蛋白质进化中的趋同机制

本研究针对RNase A样折叠和胰蛋白酶样丝氨酸蛋白酶折叠两类蛋白质，通过序列平均距离统计（ADM）和接触频率预测（F-value）技术，揭示了其共享的β-发夹-双链β-片层拓扑结构。研究人员发现，尽管两类蛋白序列相似性低（6-12%），但通过保守疏水残基（CHR）的相互作用形成部分共有的折叠核心，表明进化中存在趋同机制。该成果发表于《BMC Molecular and Cell Biology》，为理解蛋白质折叠的进化适应性提供了新视角。

　　

蛋白质如何从线性氨基酸序列折叠成功能性的三维结构，一直是生命科学的核心问题。尽管Anfinsen法则确立了序列决定结构的理论基础，但具体折叠路径仍如“分子迷宫”般难以破解。尤其令人困惑的是，进化上远缘的蛋白质（如RNase A样和胰蛋白酶样丝氨酸蛋白酶）竟能形成相似的结构模块，这暗示着折叠机制可能存在未被发现的普适性规律。

日本的研究团队K.M.Ahsanul Kabir、Takuya Takahashi和Takeshi Kikuchi*在《BMC Molecular and Cell Biology》发表研究，通过计算生物学手段揭示了这一谜题。他们发现，尽管这两类蛋白在SCOPe数据库中被划分为不同家族（序列相似性仅6-12%），但均包含由β1、β4、β5、β6和β7链构成的“β-发夹-双链β-片层”拓扑结构。这种结构相似性究竟是偶然还是折叠机制趋同的结果？研究团队通过创新的序列分析技术给出了答案。

研究采用三项关键技术：1）平均距离统计图谱（ADM）预测蛋白质折叠核心区域（PdCR）；2）基于蒙特卡洛模拟的接触频率分析（F-value）定位折叠起始位点；3）进化保守性分析鉴定关键疏水残基（CHR）。实验数据来自PDB数据库的6种代表性蛋白（如牛源RNase A 6ETL和α-糜蛋白酶6CHA），并通过BLAST获取同源序列验证保守性。

ADM分析揭示双模块折叠单元
所有研究对象均被预测出两个PdCR（表2）。RNase A样蛋白（如6ETL）的N端PdCR（残基19-84，η=0.219）包含α3螺旋和β1-β4链，而C端PdCR（92-118，η=0.146）覆盖β5-β7链（图4）。胰蛋白酶样蛋白（如6CHA）则显示N端PdCR（26-53，η=0.188）含β2-β4链，C端PdCR（65-128，η=0.180）含β5-β7链（图6）。值得注意的是，两类蛋白的C端PdCR均包含形成共同拓扑的关键β链。

F-value定位折叠核心残基
RNase A的F-value峰值（图5）显示α3螺旋的57-Val和β6链的108-Val是折叠核心，与核磁共振氢氘交换实验鉴定的高保护残基高度重合（19个实验残基中12个邻近预测峰值）。胰蛋白酶样蛋白（如6CHA）则通过β3链的38-Val和β6链的88-Ile等CHR形成疏水核心（图7）。这些CHR在进化中严格保守（表6），印证其功能重要性。

结构趋同的分子基础
三维接触图谱（图8-12）显示，RNase A样蛋白通过α3螺旋与β6链的相互作用（如57-Val与108-Val），胰蛋白酶样蛋白则通过β3链与β6链（如38-Val与88-Ile）实现结构稳定。尽管支撑模块不同（α3 vs β3），但二者均通过“中心辐射”模式（图12c）稳定共同的β-片层结构，揭示折叠机制的趋同性。

这项研究首次从序列层面证明，进化分歧的蛋白质可通过不同路径实现结构趋同。其意义在于：1）提出“β-发夹-双链β-片层”可能是一类未被定义的超二级结构；2）为人工智能预测蛋白质结构（如AlphaFold）提供折叠路径的物理依据；3）暗示蛋白质工程中可通过模仿保守拓扑设计新功能蛋白。未来研究可拓展更多蛋白家族，验证这一机制的普适性。