研究人員揭示重要蛋白質(zhì)的進(jìn)化路徑

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的新研究解碼了調(diào)??節(jié)蛋白的進(jìn)化途徑，調(diào)節(jié)蛋白是幫助控制基因表達(dá)的分子。

生物化學(xué)系拉曼實(shí)驗(yàn)室最近在《細(xì)胞系統(tǒng)》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。以下是他們的發(fā)現(xiàn)概要：

隨著細(xì)胞隨著時(shí)間的推移適應(yīng)環(huán)境的變化，蛋白質(zhì)通過(guò)進(jìn)化過(guò)程獲得和失去功能。

蛋白質(zhì)進(jìn)化在某些酶中已得到充分研究，但在有助于控制基因表達(dá)的調(diào)節(jié)蛋白中卻尚未得到充分研究。

一項(xiàng)針對(duì)調(diào)節(jié)蛋白進(jìn)化的新的全面研究表明，隨著時(shí)間的推移，蛋白質(zhì)如何進(jìn)化以獲得和失去功能，不同類(lèi)別的蛋白質(zhì)是不同的。雖然一些蛋白質(zhì)以逐步的方式進(jìn)化，隨著時(shí)間的推移慢慢獲得或失去功能，但負(fù)責(zé)控制基因表達(dá)等重要功能的蛋白質(zhì)遵循一種進(jìn)化模式，保護(hù)它們不會(huì)同時(shí)執(zhí)行多種功能。

您需要了解哪些背景信息?

達(dá)爾文對(duì)加拉帕戈斯群島的雀類(lèi)進(jìn)行了著名的描述，它們經(jīng)常被用作進(jìn)化論的典型例子。隨著時(shí)間的推移，自然發(fā)生的基因突變導(dǎo)致鳥(niǎo)類(lèi)的外觀發(fā)生微小的、漸進(jìn)的變化。賦予雀類(lèi)優(yōu)勢(shì)的變化被傳遞給后代，最終產(chǎn)生了各種喙和身體形狀，很好地適應(yīng)了不同的飲食和覓食技術(shù)。

生物分子也會(huì)隨著時(shí)間的推移而進(jìn)化，以獲得新的功能并失去不必要的功能，以響應(yīng)細(xì)胞環(huán)境的變化，例如暴露于新分子或引入病原體。這種進(jìn)化是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，有利于突變，使生物體能夠有效和高效地發(fā)揮作用。

例如，科學(xué)家知道酶(一類(lèi)負(fù)責(zé)啟動(dòng)和加速生化反應(yīng)的蛋白質(zhì))會(huì)逐漸進(jìn)化。個(gè)體突變不斷積累，最終賦予酶在細(xì)胞中的新功能。

然而，這種進(jìn)化模式并不適用于所有類(lèi)別的蛋白質(zhì)。

為什么蛋白質(zhì)之間的進(jìn)化模式不同?

雖然一些蛋白質(zhì)可以逐漸進(jìn)化以改變其功能，有時(shí)甚至在整個(gè)過(guò)程中執(zhí)行多種功能，但調(diào)節(jié)蛋白有一個(gè)更微妙的系統(tǒng)需要平衡。

調(diào)節(jié)蛋白有助于控制基因表達(dá)，像電燈開(kāi)關(guān)一樣打開(kāi)和關(guān)閉基因。如果一個(gè)光開(kāi)關(guān)控制多個(gè)基因的表達(dá)，那么僅控制其中一個(gè)基因的表達(dá)就變得更加困難。

這就是為什么調(diào)節(jié)蛋白通常具有一組有限的功能：執(zhí)行多種相關(guān)功能可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性影響，包括細(xì)胞死亡、基因表達(dá)改變改變或不受控制的細(xì)胞分裂，從而導(dǎo)致腫瘤。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的功能如此重要和復(fù)雜時(shí)，突變和進(jìn)化的風(fēng)險(xiǎn)就更高。

科學(xué)家們?nèi)绾稳〉眠M(jìn)展?

為了更好地了解調(diào)節(jié)蛋白的進(jìn)化軌跡，Vatsan Raman 和他實(shí)驗(yàn)室的研究人員繪制了一種稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的特定調(diào)節(jié)蛋白數(shù)千年來(lái)的進(jìn)化圖。這種蛋白質(zhì)有助于控制從 DNA 合成 RNA 的速度。

他們利用計(jì)算機(jī)模型推斷出該蛋白質(zhì)突變的可能歷史。這種方法為他們提供了比過(guò)去研究中使用的更多數(shù)百個(gè)代表蛋白質(zhì)進(jìn)化歷史的DNA序列。利用這些數(shù)據(jù)，他們追蹤了蛋白質(zhì)可能的突變，以及由此產(chǎn)生的功能獲得和喪失，揭示了一種新的進(jìn)化模式。

與酶中看到的逐步模式相反，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白在發(fā)生突變時(shí)會(huì)迅速獲得或失去功能。這種快速的變化有助于它們保持與特定分子結(jié)合的單一作用，防止它們同時(shí)發(fā)揮多種作用。

拉曼和他的團(tuán)隊(duì)相信，他們的研究揭示的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白的進(jìn)化模式也可能在其他調(diào)節(jié)蛋白中觀察到。對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子進(jìn)化景觀的更深入了解將有助于科學(xué)家設(shè)計(jì)新的調(diào)控因子來(lái)控制基因回路、感知分子、設(shè)計(jì)生物合

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