摘要：在一系列實(shí)驗(yàn)中，來自Münster和布拉格的一組研究人員比較了從頭蛋白質(zhì)和隨機(jī)序列蛋白質(zhì)，觀察它們的穩(wěn)定性和溶解度。這些結(jié)果將推動這一新領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。

蛋白質(zhì)是每個細(xì)胞的組成部分。長期以來，人們一直在研究它們在進(jìn)化過程中是如何改變以在體內(nèi)發(fā)揮新功能的。事實(shí)上，蛋白質(zhì)可以從無到有地出現(xiàn)——在基因組以前的非編碼部分中，從隨機(jī)出現(xiàn)的新的DNA結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)——這一事實(shí)只是在相對較近的時間里才得到證實(shí)，與“傳統(tǒng)”進(jìn)化過程相比，它并沒有成為太多研究的對象。由布拉格大學(xué)的生物化學(xué)家Klára Hlouchová博士和Münster大學(xué)的生物信息學(xué)專家Erich Bornberg-Bauer教授領(lǐng)導(dǎo)的捷克和德國研究小組現(xiàn)在首次進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將新生蛋白質(zhì)與計算機(jī)生成的蛋白質(zhì)在穩(wěn)定性和溶解度方面進(jìn)行了比較，并能夠證明它們之間存在微小但顯著的差異。這項(xiàng)研究發(fā)表在最新一期的《Nature Ecology and Evolution》雜志上。

圖1 新生蛋白質(zhì)與計算機(jī)生成的蛋白質(zhì)之間存在微小但顯著的差異

研究小組比較了兩種蛋白質(zhì):一種是出現(xiàn)在果蠅和人類身上的1800種候選新生蛋白質(zhì)，它們以DNA的形式存在于基因組的非基因部分，另一種是計算機(jī)隨機(jī)生成的蛋白質(zhì)。雖然有關(guān)結(jié)構(gòu)的預(yù)測——研究人員在各種計算機(jī)程序的幫助下進(jìn)行的——對這兩類蛋白質(zhì)進(jìn)行了非常相似的分類，但在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的調(diào)查顯示了預(yù)測沒有顯示出來的微小差異。例如，根據(jù)所謂的二級結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中的新生蛋白質(zhì)平均顯示出略高的溶解度。

圖2 文庫設(shè)計，合成和實(shí)驗(yàn)路線

以前的研究經(jīng)常從純理論的角度來研究新生進(jìn)化，檢查大量的數(shù)據(jù)集。另一方面，實(shí)驗(yàn)研究主要是研究單個的新生蛋白質(zhì)。雖然在理論研究中已經(jīng)進(jìn)行了新生蛋白與隨機(jī)生成序列的比較，但從未在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。由于新生蛋白相對年輕，出現(xiàn)在暴露于很少或沒有進(jìn)化壓力的非編碼DNA中，這些蛋白質(zhì)更容易與隨機(jī)生成的蛋白質(zhì)相比，而不是與舊的已建立的蛋白質(zhì)相比。

新研究使用計算機(jī)程序來預(yù)測蛋白質(zhì)的性質(zhì)。研究人員生產(chǎn)了實(shí)驗(yàn)分析所需的蛋白質(zhì)，并通過質(zhì)譜分析對其進(jìn)行了仔細(xì)檢查。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，他們添加了一種蛋白質(zhì)降解酶，這使他們能夠測試有多少蛋白質(zhì)實(shí)際上被降解了，然后得出關(guān)于它們穩(wěn)定性的結(jié)論。為了研究蛋白質(zhì)的溶解度，研究小組使用大腸桿菌的分子轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制作為指標(biāo)。由此鑒定出的可溶性蛋白通過新一代DNA測序得到了更精確的定義。

圖3 對于從頭隨機(jī)序列和未進(jìn)化的隨機(jī)序列，生物物理預(yù)測是相似的，并表明兩者都具有很高的結(jié)構(gòu)潛力。

來自Münster的主要作者Brennen Heames說:“我們還發(fā)現(xiàn)，盡管新生蛋白質(zhì)的起源如此年輕，但它們可以比我們預(yù)期的隨機(jī)出現(xiàn)的蛋白質(zhì)更好地整合到細(xì)胞中。這些結(jié)果表明，自然選擇發(fā)生在這些蛋白質(zhì)出現(xiàn)的早期階段。”

Münster小組的合著者M(jìn)argaux Aubel補(bǔ)充說:“我們的結(jié)果對從頭進(jìn)化領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究特別有用。但在我們的數(shù)據(jù)集中，我們研究了許多人類新生蛋白的溶解性和聚集能力。后一種能力在多種疾病中發(fā)揮作用，一些研究已經(jīng)表明，新生蛋白也可能與疾病有關(guān)。也許我們的結(jié)果將幫助我們更多地了解這些迄今為止尚未研究的蛋白質(zhì)在疾病發(fā)展中的作用。”

[1] Experimental characterisation of de novo proteins and their unevolved random-sequence counterparts