一个令人惊讶的简单的生物化学规则驱动了无用的复杂性的演变

新的研究表明，蛋白质变得生物化学上沉迷于复杂的相互作用而没有适应。

芝加哥大学的一项新研究表明，即使在没有目的的情况下，均匀的蛋白质结构也会积聚在深度深处，因为普遍的生化财产和遗传指标强制自然选择保护它们。该工作于2020年12月9日发表，在自然中。

大多数蛋白质在我们细胞中形成特异性络合物与其他蛋白质，一种称为多重化的过程。与生物学中的其他类型的复杂性一样，多米表通常被认为坚持进化时间，因为它们赋予了自然选择青睐的功能益处。

“复杂性如何发展是进化生物学的伟大问题之一，”芝加哥大学人类遗传学和生态和演化教授博士学位表示，博士学位说。“经典解释是，阐述结构必须存在，因为它们会对生物体赋予一些功能性益处，因此自然选择驱动有不断增加的复杂状态。显然在某些情况下复杂是自适应的，就像眼睛的演变一样：复杂的眼睛比简单的眼睛更好。但在分子水平，我们发现还有其他简单的机制，驱动了复杂性的积累。“

研究团队，由Thornton和Chicago大学博士后的Georg Hochberg，博士，博士学位举行，研究了在一系列名为类固醇激素受体的蛋白质家族中的多能化的演变，该组装成对（称为二聚体）。

他们使用了一种称为祖先蛋白质重建的技术，一种分子“时间旅行”，达诺顿说，他们允许他们在实验室中重建古代蛋白质，并通过实验检查它们如何受到数亿年前发生的突变的影响。

为了他们的惊喜，他们发现，当组装成二聚体时，古代蛋白质没有不同的方式运作，而不是他们从未进化以二聚体。没有任何有用或有益的形成复杂。

为什么受体的二聚体形式持续为4.5亿年的解释结果是令人惊讶的简单。“这些蛋白质逐渐变得沉迷于他们的互动，即使没有任何有用的东西，”Hochberg解释说，他现在是德国马尔堡最大普朗克研究所的集团领导者。“蛋白质的部分形成伴侣在二聚体进化后允许彼此累积的彼此累积的界面，但在单选状态下会有所存在。这使得蛋白质完全依赖于二聚体形式，并且它不再回到。无用的复杂性成为根本根深蒂固，基本上是永远的。“

研究人员表明，简单的生化，遗传和进化原则使分子复合物的根深蒂固是不可避免的。每种蛋白质代码的基因受到几代突变的恒定髋的影响，其中许多人会破坏蛋白质的折叠和正常工作的能力。一种称为净化选择的自然选择形式消除了这些有害的突变。

一旦蛋白质演变为多能化，如果蛋白质处于单独状态，则形成界面的部件可以累积突变，这是蛋白质在多聚体中耐受它们的侵害。净化选择然后巩固复杂的形式，防止返回单独状态。

研究人员表明，一种简单普遍的生物化学统治侵权。蛋白质由氨基酸组成，氨基酸可以是水溶性的或疏水性的，这意味着它们在油中容易溶解而不是水。通常，蛋白质折叠，使水溶性氨基酸位于外部，内部疏水性氨基酸。使蛋白质表面更具油溶性的突变损害其折叠，因此如果它们发生在Solo蛋白中，则会去除它们。

然而，如果蛋白质演变为多能，则界面表面上的那些疏水氨基酸隐藏在水中，并且对净化选择是看不见的。然后，多聚体是根深蒂固的，因为返回单独状态将暴露现在 - 油溶性和有害界面。

这种“疏水性棘轮”似乎是普遍的。研究人员分析了蛋白质结构的大规模数据库，包括数百个二聚体和相关的单蛋白，并且发现绝大多数界面已经变得如此疏水，即二聚体形状深度根深蒂固。

这种机制，在数百万多年来数十亿多年的蛋白质上运行，可以推动细胞内许多无用综合体的逐渐积累。

“有些复合体肯定有重要的功能，但即使这些都将被疏水性棘轮根深蒂固，使它们更难以失去，而不是它们的侵略性，”Hochberg说。“随着棘轮在后台经营的情况下，我们的细胞可能已经为根深蒂固的复合物造成了大量的股票，其中许多从未执行有用的功能，或者很久以前则不再停止这样做。”

未来的方向包括调查除了多国化以外的互动是否可能是侵权的结果。“这是一个关于蛋白质与自己的其他副本二元的蛋白质的故事，这是一个超级常见的过程，”桑顿说。“但细胞中存在许多其他互动，我们认为，由于对分子复杂性类似的获得依赖性，其中一些可能在演变期间积累。”

参考：“疏水性棘轮侵入分子复合物”Georg K.A.Hochberg，Yang Liu，Erik G. Marklund，Brian P. H. Metzger，Arthur Laganowsky和Joseph W. Thornton，2020年12月9日，Nature.Doi：
10.1038 / s41586-020-3021-2

该研究“疏水性棘轮侵入分子复合物”是由芝加哥奖学金和国家健康研究院（R01GM1128和R01GM121931）的支持。其他作者包括Brian P.H.芝加哥大学梅柏，杨柳和亚瑟拉加韦斯基德克萨斯州A＆M大学，以及乌普萨拉大学的Erik G. Marklund。