新生蛋白質和隨機產生的蛋白質有什么不同？

來源：作者：人氣：-發表時間：2023-04-20 14:26:00【大中小】

摘要：在一系列實驗中，來自Münster和布拉格的一組研究人員比較了從頭蛋白質和隨機序列蛋白質，觀察它們的穩定性和溶解度。這些結果將推動這一新領域的基礎研究。

蛋白質是每個細胞的組成部分。長期以來，人們一直在研究它們在進化過程中是如何改變以在體內發揮新功能的。事實上，蛋白質可以從無到有地出現——在基因組以前的非編碼部分中，從隨機出現的新的DNA結構中出現——這一事實只是在相對較近的時間里才得到證實，與“傳統”進化過程相比，它并沒有成為太多研究的對象。由布拉格大學的生物化學家Klára Hlouchová博士和Münster大學的生物信息學專家Erich Bornberg-Bauer教授領導的捷克和德國研究小組現在首次進行了實驗，將新生蛋白質與計算機生成的蛋白質在穩定性和溶解度方面進行了比較，并能夠證明它們之間存在微小但顯著的差異。這項研究發表在最新一期的《Nature Ecology and Evolution》雜志上。

圖1 新生蛋白質與計算機生成的蛋白質之間存在微小但顯著的差異

研究小組比較了兩種蛋白質:一種是出現在果蠅和人類身上的1800種候選新生蛋白質，它們以DNA的形式存在于基因組的非基因部分，另一種是計算機隨機生成的蛋白質。雖然有關結構的預測——研究人員在各種計算機程序的幫助下進行的——對這兩類蛋白質進行了非常相似的分類，但在實驗室進行的調查顯示了預測沒有顯示出來的微小差異。例如，根據所謂的二級結構，實驗室實驗中的新生蛋白質平均顯示出略高的溶解度。

圖2 文庫設計，合成和實驗路線

以前的研究經常從純理論的角度來研究新生進化，檢查大量的數據集。另一方面，實驗研究主要是研究單個的新生蛋白質。雖然在理論研究中已經進行了新生蛋白與隨機生成序列的比較，但從未在實驗中得到驗證。由于新生蛋白相對年輕，出現在暴露于很少或沒有進化壓力的非編碼DNA中，這些蛋白質更容易與隨機生成的蛋白質相比，而不是與舊的已建立的蛋白質相比。

新研究使用計算機程序來預測蛋白質的性質。研究人員生產了實驗分析所需的蛋白質，并通過質譜分析對其進行了仔細檢查。在進一步的實驗中，他們添加了一種蛋白質降解酶，這使他們能夠測試有多少蛋白質實際上被降解了，然后得出關于它們穩定性的結論。為了研究蛋白質的溶解度，研究小組使用大腸桿菌的分子轉運機制作為指標。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 對于從頭隨機序列和未進化的隨機序列，生物物理預測是相似的，并表明兩者都具有很高的結構潛力。

來自Münster的主要作者Brennen Heames說:“我們還發現，盡管新生蛋白質的起源如此年輕，但它們可以比我們預期的隨機出現的蛋白質更好地整合到細胞中。這些結果表明，自然選擇發生在這些蛋白質出現的早期階段。”

Münster小組的合著者Margaux Aubel補充說:“我們的結果對從頭進化領域的基礎研究特別有用。但在我們的數據集中，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揮作用，一些研究已經表明，新生蛋白也可能與疾病有關。也許我們的結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在疾病發展中的作用。”

參考資料：

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