蛋白質(zhì)大爆炸揭示了醫(yī)學(xué)和生物工程應(yīng)用的分子構(gòu)成
伊利諾伊大學(xué) Gustavo Caetano-Anollés 和 Fayez Aziz 的研究揭示了稱為域的蛋白質(zhì)亞基進(jìn)化過程中的“大爆炸”。該團(tuán)隊(duì)在超過 38 億年的所有分類單元中尋找蛋白質(zhì)關(guān)系和域募集到蛋白質(zhì)中。他們的結(jié)果可能對(duì)疫苗開發(fā)和疾病管理產(chǎn)生影響。圖片來源：伊利諾伊大學(xué) Fred Zwicky
自COVID-19大流行開始以來，蛋白質(zhì)一直在悄悄地接管我們的生活。我們一直生活在病毒所謂的“尖峰”蛋白的心血來潮中，這種蛋白已經(jīng)突變了幾十次，產(chǎn)生了越來越致命的變種。但事實(shí)是，我們一直被蛋白質(zhì)統(tǒng)治。在細(xì)胞層面，他們幾乎負(fù)責(zé)一切。
蛋白質(zhì)是如此基礎(chǔ)，以至于DNA——使我們每個(gè)人都獨(dú)一無二的遺傳物質(zhì)——本質(zhì)上只是一長(zhǎng)串蛋白質(zhì)藍(lán)圖。對(duì)于動(dòng)物、植物、真菌、細(xì)菌、古細(xì)菌甚至病毒來說都是如此。正如這些生物群隨著時(shí)間的推移而進(jìn)化和變化一樣，蛋白質(zhì)及其組成部分也是如此。
伊利諾伊大學(xué)研究人員發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上的一項(xiàng)新研究描繪了超過 38 億年的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域（蛋白質(zhì)分子的亞基）的進(jìn)化歷史和相互關(guān)系。
“了解在進(jìn)化過程中結(jié)構(gòu)域如何以及為什么在蛋白質(zhì)中結(jié)合可以幫助科學(xué)家理解和設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)在醫(yī)學(xué)和生物工程應(yīng)用中的活性。例如，這些見解可以指導(dǎo)疾病管理，例如利用 COVID-19 病毒的刺突蛋白制造更好的疫苗，”Carl R. Woese 基因組研究所附屬作物科學(xué)系教授 Gustavo Caetano-Anollés 說伊利諾伊州生物學(xué)，該論文的資深作者。
自大流行初期以來， Caetano-Anollés 就研究了 COVID 突變的演變，但該時(shí)間表僅代表他和博士生 Fayez Aziz 在當(dāng)前研究中所從事的研究的一小部分。
推薦產(chǎn)品: 生物顯微鏡
研究人員匯編了所有分類群（包括高等生物和微生物）的數(shù)百個(gè)基因組中編碼的數(shù)百萬個(gè)蛋白質(zhì)序列的序列和結(jié)構(gòu)。他們關(guān)注的不是整個(gè)蛋白質(zhì)，而是結(jié)構(gòu)域。
“大多數(shù)蛋白質(zhì)由多個(gè)結(jié)構(gòu)域組成。這些是具有特殊功能的緊湊結(jié)構(gòu)單元或模塊，”Caetano-Anollés 說?！案匾氖牵鼈兪沁M(jìn)化的單位。”
在將蛋白質(zhì)分類成域以構(gòu)建進(jìn)化樹之后，他們著手構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，以了解在數(shù)十億年的進(jìn)化過程中域是如何在蛋白質(zhì)之間發(fā)展和共享的。
新發(fā)現(xiàn)：Supermeres納米粒子的發(fā)現(xiàn)：阿爾茨海默病、癌癥和COVID-19研究新進(jìn)展
“我們建立了一個(gè)時(shí)間序列的網(wǎng)絡(luò)，描述域如何積累以及蛋白質(zhì)如何通過進(jìn)化重新排列它們的域。這是第一次將這種“域組織”網(wǎng)絡(luò)作為進(jìn)化年表進(jìn)行研究，”Fayez Aziz 說?！拔覀兊恼{(diào)查顯示，有一個(gè)龐大的不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)描述了蛋白質(zhì)中域如何相互結(jié)合?！?/p>
網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)鏈接都代表特定域被招募到蛋白質(zhì)中的時(shí)刻，通常是為了執(zhí)行新功能。
Fayez Aziz 說：“僅這一事實(shí)就強(qiáng)烈表明域招聘在本質(zhì)上是一股強(qiáng)大的力量。” 年表還揭示了哪些結(jié)構(gòu)域貢獻(xiàn)了重要的蛋白質(zhì)功能。例如，研究人員能夠追蹤負(fù)責(zé)環(huán)境感知的域以及次級(jí)代謝物或用于細(xì)菌和植物防御的毒素的起源。
分析表明，域在蛋白質(zhì)進(jìn)化的早期就開始結(jié)合，但也有網(wǎng)絡(luò)爆炸式增長(zhǎng)的時(shí)期。例如，研究人員描述了 15 億年前域組合的“大爆炸”，這與多細(xì)胞生物和真核生物（包括人類在內(nèi)的具有膜結(jié)合核的生物）的興起相吻合。
生物大爆炸的存在并不新鮮。Caetano-Anollés 的團(tuán)隊(duì)之前報(bào)道了新陳代謝的大規(guī)模和早期起源，他們最近在追蹤新陳代謝網(wǎng)絡(luò)的歷史時(shí)再次發(fā)現(xiàn)了它。
描述蛋白質(zhì)進(jìn)化拼湊的大爆炸的歷史記錄為理解蛋白質(zhì)構(gòu)成提供了新工具。
Caetano-Anollés 說：“例如，這可以幫助確定SARS-CoV-2中經(jīng)常發(fā)生結(jié)構(gòu)變異和基因組重組的原因。”
他補(bǔ)充說，這種理解蛋白質(zhì)的新方法可以通過剖析病毒疾病的起源來幫助預(yù)防流行病。它還可以通過在爆發(fā)時(shí)改進(jìn)疫苗設(shè)計(jì)來幫助減輕疾病。