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Nature:决定蛋白命运的转折点

2014-06-24 10:28 阅读:7598 来源:生物360 责任编辑:张子玲
[导读] 偶然事件对历史的进程有着深远的影响。如果费迪南大公的司机没有怪错弯,那么他还会撞在***的枪口上么?第一次世界大战还会在那时候打起来么?希特勒会不会晚几十年才掌权呢?

    偶然事件对历史的进程有着深远的影响。如果费迪南大公的司机没有怪错弯,那么他还会撞在***的枪口上么?第一次世界大战还会在那时候打起来么?希特勒会不会晚几十年才掌权呢?
 

Nature:决定蛋白命运的转折点


    对于这类问题历史学家们只能靠猜,而进化生物学家们却可以通过实验来解决。日前,科学家们“复活了”一个重要人类蛋白的远古祖先,研究了它那不断突变的蛋白进化史,分析了其中的大量可变事件(alternative histories)。

    研究显示,只有先出现两个特殊的突变,古代蛋白才有可能进化成现代的糖皮质激素受体(GR)。这两个“许可性”突变(permissive mutations)对蛋白功能没有影响,但它们是功能性突变的关键基础。研究人员筛查了数千种进化路径,他们发现古代GR进化出对皮质醇的敏感性只有一条途径。相关研究论文刊登在了近期出版的《Nature》杂志上。

    论文资深作者 Joe Thornton 教授表示:“这种关键蛋白之所以能够存在,是因为出现了一个命运转折点。很可能我们机体内许多系统的进化,都依赖于进化史中非常罕见的偶发事件。”

    Thornton一直致力于古代蛋白的重建,通过基因测序和计算方法在进化树中追溯过去,就像一次“时空旅行”.他推断古代蛋白的可能序列,通过生化方法进行合成,并将其引入***生物研究它们的功能。

    Thornton等人之前证实,现代蛋白的进化依赖于许可性突变的出现,但没人知道许可性突变是不是只有一种可能。为此Thornton和俄勒冈大学的Michael Harms博士合作对GR进行了研究。他们重建了存在于四亿五千万年前的古代GR,那时它还没有进化出对皮质醇的敏感性。

    研究人员发现,抛开许可性突变只引入功能性突变,古代GR就不能进化成现在的样子。随后,他们构建了数百万个古代GR的基因拷贝,并向每个拷贝引入随机突变,模拟进化中的各种可能。他们还设计了基因工程酵母,这些酵母只有在出现功能性GR时才能生长。研究人员将各种突变GR引入这种酵母,一旦出现任何许可性突变,GR功能就能恢复,允许酵母生长。研究显示,除了现实中的两种许可性突变,其他突变都不能恢复GR的功能。

    研究人员深入解析了突变对古代蛋白的结构影响,找到了许可性突变如此罕见的原因。这样的突变必须满足三个条件:必须稳定蛋白结构中的特定区域,在功能性构象之间维持正确的能量平衡,并且能够与原始结构和衍生结构都兼容。很少有突变能符合这么严格的限制条件。

    这项研究有助于人们进一步理解蛋白功能的进化过程。“能够直接研究可变历史事件是很令人兴奋的,”Thornton说。“如果进化史重来一遍,结果很可能是完全不同的。对于细胞的生化系统来说,不可预测的遗传学事件,在开启一扇进化之门的同时,也关闭了其他的可能。”


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