重构的进化：新蛋白“一无所有”

蛋白质的柔韧性区域：不太柔韧性（蓝色），中等柔韧性（绿色/黄色）和高度柔韧性（红色）。但是，与其他蛋白质相比，中央α螺旋和N末端（蛋白质的起点）均显示稳定的折叠。

国际研究人员团队研究了进化如何形成果蝇中一种新出现的蛋白质的结构和功能。

蛋白质是所有现代生命形式的关键组成部分。例如，血红蛋白在我们的血液中输送氧气。植物叶片中的光合作用蛋白将阳光转化为能量；真菌酶可以帮助我们酿造啤酒和烤面包。长期以来，研究人员一直在研究蛋白质在几千年的过程中如何突变或存在的问题。

几十年来，几乎无法想象的是，全新的蛋白质（以及随之而来的新特性）几乎一无所有，这符合希腊哲学家帕门尼德斯（Parmenides）所说：“什么都不可能从无到有”（例如nihilo nihil fit）。明斯特大学的研究人员与美国和澳大利亚的同事合作，现已重建了进化如何形成果蝇中一种新蛋白质的结构和功能。该蛋白质对于男性生育至关重要。研究结果已发表在《自然通讯》杂志上。

背景

到现在为止，人们已经假设新蛋白质是从现有蛋白质中产生的-通过基础基因的复制以及一个或两个基因拷贝中的一系列小突变。然而，在过去的十年中，人们对蛋白质的进化有了新的认识：蛋白质也可以从所谓的非编码DNA（脱氧核糖核酸）发展而来，换句话说，就是从遗传物质中通常不存在的那一部分发展而来。产生蛋白质-然后可以发展为功能性细胞成分。

出于以下几个原因，这是令人惊讶的：多年来，人们一直认为蛋白质必须具有高度发达的几何形状（“ 3D结构”）才能发挥功能。进一步假设这种形式不能从随机出现的基因发展而来，但需要氨基酸的复杂结合才能使该蛋白质以其功能形式存在。

果蝇（在这里显示为交配）作为研究模型。

尽管进行了数十年的尝试，但全世界的研究人员尚未成功构建具有所需3D结构和功能的蛋白质，这意味着形成功能性蛋白质的“代码”基本上是未知的。尽管这项任务对科学家来说仍然是一个难题，但事实证明，自然界更擅长于新蛋白质的形成。明斯特大学进化与生物适应性研究所的Erich Bornberg-Bauer教授领导的一组研究人员通过比较众多生物中新近分析的基因组，发现该物种不仅通过重复的蛋白质编码基因而有所不同。在进化的过程中。此外，蛋白质是从头开始形成的（“新的”），即没有任何相关的前体蛋白质经过选择过程。

这些从头蛋白质中的绝大多数是无用的，甚至是微毒的，因为它们会干扰细胞中现有的蛋白质。由于携带编码该蛋白质的新基因的生物损害了存活或繁殖，这种新蛋白质在几代后很快又再次丢失。然而，少数从头蛋白质被证明具有有益的功能。这些蛋白质整合到细胞的分子成分中，经过数百万年的细微修饰，最终变得不可或缺。

在这种情况下，许多研究人员想知道一些重要的问题：这样的新型蛋白质在出生时看起来如何？它们将如何变化，它们承担的功能是“新手”？一个国际研究小组在Münster的Bornberg-Bauer教授的带领下，为“ Goddard”（果蝇蛋白）详细回答了这个问题，Goddard是一种果蝇蛋白质，对雄性育性至关重要。

方法

研究在三大洲的三个相关方面进行。在美国马萨诸塞州圣十字学院，Prajal Patel博士和Geoff Findlay教授使用CRISPR / Cas9基因组编辑来显示不产生戈达德的雄蝇是不育的，但其他方面都是健康的。

同时，Bornberg-Bauer教授小组的Andreas Lange博士和博士生Brennen Heames使用生化技术来预测当今果蝇中这种新型蛋白质的形状。然后，他们使用进化方法重建了大约5000万年前该蛋白质首次出现时哥达德的可能结构。

他们发现的结果非常令人惊讶：“祖先的戈达德蛋白看起来已经非常像当今蝇类中存在的蛋白，”埃里希·伯恩伯格·鲍尔（Erich Bornberg-Bauer）解释说。“从一开始，戈达德就包含了一些结构元素，即所谓的α螺旋，这些元素被认为对大多数蛋白质都是必不可少的。”

为了证实这些发现，现场转移到了堪培拉的澳大利亚国立大学，亚当·达姆里博士和科林·杰克逊教授在那里进行了密集的计算模拟，以验证戈达德蛋白的预测形状。他们验证了Lange博士的结构分析，并表明Goddard尽管很年轻，但已经很稳定了-尽管不如大多数被认为存在更长时间（也许亿万年）的果蝇蛋白稳定。 。

该结果与其他几项当前研究相吻合，这些研究表明，蛋白质编码基因从中出现的基因组元件被频繁激活-每个小人成千上万次。然后通过进化选择的过程对这些片段进行“分类”。那些无用或有害的物质-绝大多数-被迅速丢弃。但是，那些中立的或略有益处的方法可以在数百万年的时间内进行优化，并转变为有用的方法。

参考：“果蝇假定的新生基因的结构和功能表征”，作者：Andreas Lange，Prajal H.Patel，Brennen Heames，Adam M.Damry，Thorsten Saenger，Colin J.Jackson，Geoffrey D.Findlay和Erich Bornberg-Bauer，12 2021年3月，Nature Communications.DOI：
10.1038 / s41467-021-21667-6

资金：进行的研究获得了Horizo​​n 2020研究与创新框架计划722610（明斯特）中的欧洲赠款EsCat，ARC肽与蛋白质科学和合成生物学卓越中心（澳大利亚）以及NSF CAREER赠款的资助＃1652013（美国）。