進化的時間旅行揭示酶的起源

過去、現在和未來之間的區(qū)別只是一種頑固的幻覺，”阿爾伯特愛因斯坦寫道。也許這在蛋白質進化中最為明顯，在今天的不同物種中存在相同酶的過去和現在版本，對未來的酶設計產生影響?，F在，研究人員利用進化“時間旅行”來了解酶如何隨時間進化，從地球上最古老的生物之一到現代人類。

研究人員今天將在美國化學學會 (ACS) 秋季會議上展示他們的結果。ACS 2021 年秋季是一個混合會議，將于 8 月 22 日至 26 日以虛擬和面對面方式舉行，點播內容將于 8 月 30 日至 9 月提供。30. 會議有 7,000 多場關于廣泛科學主題的演講。

“如果一個人住在今天的羅馬，他們可能想了解古羅馬以更好地了解他們是誰，”該項目的首席研究員 Magnus Wolf-Watz 博士說。“以同樣的方式，我們可以回顧更古老的酶形式，以了解這些蛋白質今天是如何工作的，以及我們如何在未來設計新版本。”

瑞典于默奧大學的 Wolf-Watz 回顧了大約 2 到 30 億年前的原始生物，即古細菌。這些今天仍然存在的單細胞生命形式具有原核生物(沒有細胞核的細菌)和真核生物(細胞內有細胞核的植物、動物和真菌等生物)的特征。2015 年發(fā)現的一種古細菌分支，被稱為 Asgard 門，包含與真核細胞最接近的已知祖先。已經確定了四種類型的 Asgard 古菌，包括在大西洋深處的熱液噴口中發(fā)現的 Odin 古菌。

Odin 古細菌有一種叫做腺苷酸激酶 (AK) 的酶，它也存在于原核生物和真核生物中。Wolf-Watz 之前研究了這種酶的兩種人類類型，AK1 和 AK3。兩者對于維持細胞中的能量平衡都很重要，但 AK1 位于細胞質中，它將磷酸基團從三磷酸腺苷(ATP，細胞中的主要能量載體)轉移到單磷酸腺苷 (AMP)。相比之下，AK3 位于線粒體內，在那里它將磷酸基團從三磷酸鳥苷(GTP，一種類似于 ATP 但具有不同作用的分子)轉移到 AMP。

Wolf-Watz 的團隊使用 X 射線結晶和核磁共振波譜研究了 AK1 和 AK3 的結構，發(fā)現雖然這兩種酶非常相似，但它們在一個短環(huán)區(qū)域有細微的差異，導致 AK1 更喜歡 ATP 和 AK3更喜歡 GTP。“現在我們可以使用任何 AK 酶，查看該環(huán)的結構，并預測它是使用 ATP 還是 GTP，”Wolf-Watz 說。下一步是檢查更古老版本的 AK 酶——來自奧丁古細菌——以了解 AK1 和 AK3 如何進化為偏好不同的核苷酸底物。

研究人員純化了 AK 古菌并確定了其結構。他們發(fā)現，在古細菌酶中，對于區(qū)分 ATP 和 GTP 很重要的環(huán)要長得多，并且它具有可以結合任一核苷酸的化學基團。“我們發(fā)現的是人類 AK 的早期祖先，它包含兩種能力——它可以同時使用 ATP 和 GTP，”沃爾夫-瓦茨說。“在進化過程中，它變得專門針對其中一個或另一個變得特定，這取決于它所在的細胞室。” 古細菌 AK 實際上可以使用所有天然存在的三磷酸核苷酸 (NTP)。“我們發(fā)現了一種通用的 NTP 結合基序，它可以成為未來新型酶設計的基石，”Wolf-Watz 說。

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