Only Perception: 蛋白質結構研究揭露關鍵演化史

2009-03-13

蛋白質結構研究揭露關鍵演化史

Study of protein structures reveals key events in evolutionary history
http://www.physorg.com/news155940241.html

March 10th, 2009

一項對於蛋白質的新研究，這種分子機器驅動所有的生命，也闡明了活生物體（living organisms）的歷史。

這項研究（在 Structure 期刊中）揭露，經過極長時間的演化之後，蛋白質突然間經歷了一種如「大霹靂（big bang）」般的革新。許多蛋白質的活性區域，稱為域（domains），彼此相互結合或分裂而產生一大堆前所未見的構造。這種新形態的爆發與三大生命超界（superkingdoms） -- 細菌（bacteria）；稱為古菌（archaea）的微生物；以及真核生物（eucarya），這組包括動物、植物、真菌以及其他種種生物體 -- 的多樣性迅速增加相一致。

領導作者 Gustavo Caetano-Anolles，伊利諾大學作物科學系一位生物資訊教授，以及基因組生物學研究所的成員，已花了數年的時間研究蛋白質的結構 -- 他稱它們為「architectures（結構、構造、建築物）」 -- 他指出那提供了一種可靠的「演化事件記錄」。

所有的蛋白質包含了數個域（domains，後面不翻出以突顯之），能藉由它們彼此在結構性與與功能性之間的相似性來確認。這些 domains 是齒輪與馬達，那使得蛋白質機器能夠運作。每種蛋白質都有一種以上的 domains，而且十分不同的蛋白質能包含相同或相似的 domains。

透過針對出現在不同組生物體中所有的 domains 進行普查，並比較數百種不同群組的蛋白質全體（repertoires），研究者們能建構出一種蛋白質演化的時間線，那直接涉及生命的歷史。

"蛋白質體系（repertoire，譯註：翻成曲目、全集都不對，更不是字元集，比較接近某種系統的集合）的歷史應與整個生物體的歷史相符，因為生物體全由這些部份所組成，" Caetano-Anolles 說。

他與他的共同作者，博士後研究者 Minglei Wang（音譯：王明廉），對於追蹤蛋白質如何利用它們的 domains 或一群 domains 來完成各種任務感到有興趣。這些 domains 或 domain clusters（域簇）可視為「模組」，那以各種方式結合而達成不同的目的。

不同於胺基酸在某個蛋白質中的次序，那對於變化高度敏感，今日在活生物體中所發現的蛋白質分子具有耐久性（endured），因為它們完成關鍵的任務，對於維持它們的生物體有益，Caetano-Anolles 說。

"這些分子經得起改變，它們高度整合而且它們被用在不同的背景（contexts）中，" 他說。

藉由追蹤這些分子的歷史，研究者能建構出蛋白質演化的粗略時間線。那揭露，在三大超界開始浮現時，絕大多數的蛋白質僅包含單一 domains ，那完成許多任務。

"當時間前進，這些 domains 開始與其他的結合，而且它們變得相當特化，" Caetano-Anolles 說。這終於導致蛋白質結構（architectures）的大霹靂。

"正好在大霹靂那時候，" 他說，許多結合在一起的 domains 開始分離，再一次創造出眾多單一 domain 的分子。不過這些新模組比它們古時前輩更有效率與特化。"

"這相當有意義，" Caetano-Anolles 說。"當你變得更加複雜，你會想要微調東西，以一種更合身的方式完成這些事。"

這三大超界的蛋白質分子也開始更加戲劇性的相互背離，其中真核生物（包括動、植物）集合了最大的分子多樣性。

"這種多樣性的爆發讓真核生物能以它們的蛋白質辦到其他生物體所辦不到的事，" Caetano-Anolles 說。

※ 過程頗像大霹靂後各種粒子、天體如何形成。

＊ The Evolutionary Mechanics of Domain Organization in Proteomes and the Rise of Modularity in the Protein World
http://www.cell.com/structure/abstract/S0969-2126(08)00456-5