研究人員揭示重要蛋白質的進化路徑

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

生物化學系拉曼實驗室最近在《細胞系統(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：

隨著細胞隨著時間的推移適應環(huán)境的變化，蛋白質通過進化過程獲得和失去功能。

蛋白質進化在某些酶中已得到充分研究，但在有助于控制基因表達的調節(jié)蛋白中卻尚未得到充分研究。

一項針對調節(jié)蛋白進化的新的全面研究表明，隨著時間的推移，蛋白質如何進化以獲得和失去功能，不同類別的蛋白質是不同的。雖然一些蛋白質以逐步的方式進化，隨著時間的推移慢慢獲得或失去功能，但負責控制基因表達等重要功能的蛋白質遵循一種進化模式，保護它們不會同時執(zhí)行多種功能。

您需要了解哪些背景信息?

達爾文對加拉帕戈斯群島的雀類進行了著名的描述，它們經常被用作進化論的典型例子。隨著時間的推移，自然發(fā)生的基因突變導致鳥類的外觀發(fā)生微小的、漸進的變化。賦予雀類優(yōu)勢的變化被傳遞給后代，最終產生了各種喙和身體形狀，很好地適應了不同的飲食和覓食技術。

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

例如，科學家知道酶(一類負責啟動和加速生化反應的蛋白質)會逐漸進化。個體突變不斷積累，最終賦予酶在細胞中的新功能。

然而，這種進化模式并不適用于所有類別的蛋白質。

為什么蛋白質之間的進化模式不同?

雖然一些蛋白質可以逐漸進化以改變其功能，有時甚至在整個過程中執(zhí)行多種功能，但調節(jié)蛋白有一個更微妙的系統(tǒng)需要平衡。

調節(jié)蛋白有助于控制基因表達，像電燈開關一樣打開和關閉基因。如果一個光開關控制多個基因的表達，那么僅控制其中一個基因的表達就變得更加困難。

這就是為什么調節(jié)蛋白通常具有一組有限的功能：執(zhí)行多種相關功能可能會導致災難性影響，包括細胞死亡、基因表達改變改變或不受控制的細胞分裂，從而導致腫瘤。當?shù)鞍踪|的功能如此重要和復雜時，突變和進化的風險就更高。

科學家們如何取得進展?

為了更好地了解調節(jié)蛋白的進化軌跡，Vatsan Raman 和他實驗室的研究人員繪制了一種稱為轉錄調節(jié)因子的特定調節(jié)蛋白數(shù)千年來的進化圖。這種蛋白質有助于控制從 DNA 合成 RNA 的速度。

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

與酶中看到的逐步模式相反，轉錄調節(jié)蛋白在發(fā)生突變時會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合的單一作用，防止它們同時發(fā)揮多種作用。

拉曼和他的團隊相信，他們的研究揭示的轉錄調節(jié)蛋白的進化模式也可能在其他調節(jié)蛋白中觀察到。對轉錄調控因子進化景觀的更深入了解將有助于科學家設計新的調控因子來控制基因回路、感知分子、設計生物合

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