威斯康星大學麥迪遜分校的一項新研究破譯了調節蛋白的進化途徑，這種分子有助于控制基因表達。

來自生物化學系拉曼實驗室的研究結果最近在《細胞系統》雜志上發表。以下是他們的發現:

• 隨著時間的推移，細胞適應環境的變化，蛋白質通過進化過程獲得和失去功能。

• 蛋白質進化在某些酶中得到了很好的研究，但在幫助控制基因表達的調節蛋白中研究不足。

• 一項對一種調節蛋白進化的新的全面研究揭示了蛋白質如何隨著時間的推移而進化獲得和失去功能，這在不同種類的蛋白質之間是不同的。雖然一些蛋白質以循序漸進的方式進化，隨著時間的推移慢慢地獲得或失去功能，但負責控制重要功能(如基因表達)的蛋白質遵循一種進化模式，保護它們不同時執行多種功能。

你需要了解哪些背景信息?

達爾文對加拉帕戈斯群島的雀類進行了著名的描述，它們經常被用作進化的典型例子。隨著時間的推移，自然發生的基因突變導致了鳥類外表的小而漸進的變化。給雀類帶來優勢的變化傳給了后代，最終產生了各種各樣的喙和身體形狀，以適應各種飲食和覓食技術。

生物分子也會隨著時間的推移而進化，以獲得新的功能，并隨著細胞環境的變化而失去不必要的功能，例如暴露于新分子或病原體的引入。這種進化是一個持續的過程，有利于突變，使生物體有效和高效地運作。

例如，科學家們知道酶——一類負責啟動和加速生化反應的蛋白質——是逐步進化的。個體突變累積起來，最終賦予這種酶在細胞中的新功能。

但這種進化模式并不適用于所有種類的蛋白質。

為什么蛋白質的進化模式不同?

雖然一些蛋白質可以逐漸進化來改變它們的功能，有時甚至在這個過程中執行多種功能，但調節蛋白質有一個更微妙的系統來平衡。

調節蛋白幫助控制基因表達，像電燈開關一樣開啟和關閉基因。如果單個開關控制多個基因的表達，那么僅控制其中一個基因的表達就會變得更加困難。這就是為什么調節蛋白通常具有有限的功能:執行多種相關功能可能導致災難性的影響，包括細胞死亡，基因表達改變或細胞分裂失控，這可能導致腫瘤。當蛋白質的功能如此重要和復雜時，突變和進化的風險更高。

科學家是如何取得進展的?

為了更好地理解調節蛋白的進化軌跡，Vatsan Raman和他實驗室的研究人員繪制了一種被稱為轉錄調節蛋白的特定調節蛋白幾千年來的進化圖譜。這種蛋白質有助于控制RNA從DNA合成的速率。

他們利用計算機模型推斷出蛋白質突變的可能歷史。與過去的研究相比，這種方法為他們提供了數百個代表蛋白質進化史的DNA序列。利用這些數據，他們追蹤了蛋白質可能的突變——以及由此產生的功能的獲得和喪失——揭示了一種新的進化模式。

與酶的逐步模式相反，轉錄調節蛋白在獲得突變時迅速獲得或失去功能。這種快速變化有助于它們保持與特定分子結合的單一作用，從而防止它們同時發揮多種作用。

拉曼和他的團隊相信，他們的研究在轉錄調節因子中揭示的進化模式也可能在其他調節蛋白中觀察到。深入了解轉錄調控因子的進化圖景將有助于科學家設計新的調控因子來控制基因回路、感知分子、工程生物合成途徑和監測細胞代謝物，為新的生物醫學和生物技術發現打開大門。

本研究部分由美國國立衛生研究院院長新創新者獎DP2GM132682和五大湖生物能源研究中心，美國能源部，科學辦公室，生物和環境研究辦公室資助，獎勵號為DE-SC0018409。


（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-3）