《Nature》文章挑战达尔文进化论——我们的血红蛋白从哪里来? 发布时间:2020-05-26 13:29:15  点击:244次

现在,由芝加哥大学教授Joseph Thornton博士和研究生Arvind Pillai领导的一个国际研究团队揭示了蛋白质复合体的复杂性也许可以通过惊人简单的机制进化得到。研究小组发现了进化过程中的“缺失环节”。

大多数生物过程都是由多种蛋白质的复合物来完成的,这些复合物协同工作来完成某些功能。但是这些复杂机器是如何进化的,一直是现代生物学的一大难题,因为它们通常是通过复杂的分子界面结合在一起的,形成它们的中间形式已经消失得无影无踪。

现在,由芝加哥大学教授Joseph Thornton博士和研究生Arvind Pillai领导的一个国际研究团队揭示了蛋白质复合体的复杂性也许可以通过惊人简单的机制进化得到。研究小组发现了进化过程中的“缺失环节”。

血红蛋白——几乎所有脊椎动物血液中运输氧气的由四部分组成的蛋白质复合物,现在研究人员证明,血红蛋白可以从简单的前体进化而来。他们发现,4亿多年前的两个突变就触发了现代血红蛋白结构和功能的实现。

这项名为“血红蛋白进化复杂性起源”的研究于5月20日在《Nature》杂志在线发表。该团队还包括德州农工大学、内布拉斯加州林肯大学和牛津大学(英国)的科学家。

每个血红蛋白分子是由两种不同蛋白质的两个拷贝组成的四部分蛋白质复合物,但是与它们关系最密切的蛋白质却根本不能形成复合物。在过去20年里,Thornton实验室率先提出了分子时间旅行:使用统计和生化方法来重建和实验表征早期血红蛋白形成之前、期间和之后的古老蛋白质。这使得他们能够识别血红蛋白进化过程中缺失的环节——一个由一种单一蛋白质的两个拷贝组成的两部分复合物,这种蛋白质存在于人类和鲨鱼的最后一个共同祖先之前。这种古老的由两部分组成的复合物还不具备任何现代血红蛋白的关键特性,即使其能够将氧气结合在肺部,并将其输送到大脑、肌肉和其他组织中的遥远细胞。

通过向这个缺失环节的蛋白质中引入下一个历史区间发生的各种突变,他们发现只有蛋白质表面的两种突变触发了四部分复合物的形成,并使其氧结合功能发生了关键性的变化。

由查尔斯•达尔文首先提出,进而由理查德•道金斯(牛津大学动物学家)阐述的生物复杂性进化的传统观点认为复杂性是通过许多突变的漫长旅程逐渐增加的,每一种突变都受到自然选择的青睐,因为它在功能和适配性上都有微小的改善。而新的研究挑战了这一传统进化观点,至少在分子水平上,新的复合形式可以很快!

Thornton说:“当我们看到这样一个简单的机制可以赋予如此复杂的性质时,我们被吓坏了。这表明,在进化过程中,复杂性的跃迁可能会突然发生,甚至是偶然发生,从而产生新的分子实体,最终变成我们生物学的重要组成。”


生态与进化系的研究生Pillai 和博士后学者Georg Hochberg博士接触后,这个项目就开始了,他们认为血红蛋白可以作为一个测试案例,看看复杂分子在整个历史中是如何进化的。

Pillai说:“血红蛋白的结构和功能研究可能比任何其他分子都多。但在进化过程中它是如何起源的,我们却一无所知。这是一个很好的模型,因为血红蛋白的成分是一个更大的蛋白质家族的一部分,在这个大家族中,最亲近的亲戚不形成复合物,而是单独发挥作用。它们的历史可以从其现存后代的序列中重建出来,而且有很好的实验室工具来表征它们的特性。”

Thornton说,皮莱的想法“很聪明,它激发了后续大量的实验工作。”关于血红蛋白是如何进化的猜测至少可以追溯到60年前蛋白质生物化学奠基人莱纳斯•卡尔•鲍林和马克斯•佩鲁茨,但是直到现在还没有实验手段来研究这个问题。

对古代蛋白质原子结构的分析表明,这些突变在蛋白质表面引入了两种变化,使得它能与另一种蛋白质的表面紧密结合,当它被招募到新的相互作用中时,另一种蛋白质的表面保持不变。这两个表面的其他古老部分也仅仅是偶然地粘在一起,为这两个新突变引发的相互作用增加了更多的力量。

Thornton指出,那些较老的元素,甚至是更早的两部分复合物,一定是偶然存在的,而不是需要它们出现来增强蛋白质的最终结构或功能,因为它们存在于特性形成之前。

最令人惊讶的结果是,这两个关键突变,通过诱导四部分结构的形成,也触发了复合物氧结合功能的关键变化!血红蛋白可以发挥其生理功能,因为它对氧的亲和力高到足以在肺中结合氧,但低到足以在身体其他部位的组织中释放氧。它还与氧协同结合:当四种成分中的一种吸收了一个氧分子时,其他成分往往也会这样做——反过来也是如此——因此整个复合体在吸收氧气和在正确的地方释放氧气方面变得更加有效了。

血红蛋白的古老前驱体——包括缺失的两部分复合物——与氧结合得太紧,不合作,因此它们不能有效地发挥氧交换功能。研究人员发现,这两个关键突变不仅赋予了四部分结构,而且赋予了血红蛋白关键的氧结合特性。尽管这些突变发生在蛋白质表面将复合物组装在一起的部位,而不是在其氧结合位点,但这两个区域是由一系列古老的氨基酸连接在一起的,这些氨基酸存在于球蛋白家族的所有成员中。当由四部分组成的复合物组装起来后,这根氨基酸链会跟着移动,氧结合位点会以一种使氧结合更松散的方式重塑。当血红蛋白复合物的一个成分与氧结合时,氨基酸链会向后移动,重塑将相邻蛋白质结合在一起的表面,这也使得相邻蛋白质在结合氧方面也能做得更好。这样一来,当血红蛋白的组装能力第一次进化时,副作用是复杂的功能特性也随之出现了。

“想象一下,如果这两种突变从未发生过,或者突变相关的结构特征在当时并不存在,血红蛋白就不会进化,随后的许多创新,比如快速新陈代谢和比我们远古的海洋祖先长得更大、移动速度更快的能力,也无法依靠有效的氧气输送实现。”

(编辑:editor)