能量景观理论揭示可折叠蛋白质的进化
赖斯大学的 Peter Wolynes 领导的一项新研究为可折叠蛋白质的进化提供了新的见解。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。莱斯大学和布宜诺斯艾利斯大学的研究人员利用能量景观理论来区分蛋白质序列中可折叠和不可折叠的部分。他们的研究阐明了关于在起源期间仅编码蛋白质一部分的 DNA 片段是否可以自行折叠的持续争论。
研究人员重点研究了蛋白质结构中的外显子与蛋白质折叠性演化之间的广泛关系。他们强调了外显子（基因中编码蛋白质的部分）和内含子（基因翻译成蛋白质时被丢弃的沉默区域）的重要性。
“利用目前可用的大量基因组外显子 - 内含子组织和蛋白质序列数据，我们探索了外显子边界守恒，并使用能量景观理论测量评估了其行为，”DR Bullard-Welch 基金会科学教授、化学、生物科学、物理学和天文学教授以及理论生物物理中心 (CTBP) 联合主任 Wolynes 说。
当 20 世纪 70 年代发现基因碎片时，人们立即提出，通过分解序列，这种结构有助于构建可折叠蛋白质。当研究人员在 20 世纪 90 年代再次研究这一问题时，现有的数据却模棱两可，沃林斯说。
该团队目前已评估了外显子作为 38 个丰富且保守的蛋白质家族中潜在的蛋白质折叠模块的作用。经过几代进化，外显子可以在基因组中随机移动，导致基因发生重大变化并产生新的蛋白质。研究结果表明，外显子大小分布与指数衰减存在偏差，表明存在进化选择。
布宜诺斯艾利斯大学博士后研究员埃泽奎尔·加尔彭 (Ezequiel Galpern) 说：“蛋白质折叠和进化是密切相关的现象。
天然蛋白质是氨基酸的线性链，通常折叠成紧凑的三维结构以发挥生物功能。氨基酸的特定序列决定了最终的三维结构。因此，外显子转化为独立折叠的蛋白质区域或折叠子的想法非常有吸引力。
研究人员利用计算方法测量了外显子编码的氨基酸链折叠成与完整蛋白质相似的稳定 3D 结构的可能性。他们的结果表明，虽然并非所有外显子都能形成可折叠模块，但在各种生物体中始终存在的最保守的外显子与更好的折叠子相对应。
研究发现，在某些球状蛋白质家族中，蛋白质折叠与进化之间存在相关性。蛋白质折叠涉及氨基酸链在空间中折叠，以在相应的时间范围内发挥生物功能。这种相关性是蛋白质科学的一个基本概念，使用基因组数据和能量函数进行评估。
有趣的是，这种总体趋势并不适用于所有蛋白质家族，这表明其他生物因素也可能影响蛋白质折叠和进化。研究人员的工作为未来研究这些额外因素及其对进化生物学的影响奠定了基础。
研究团队包括 CTPB 的博士后研究员 Carlos Bueno、莱斯大学应用物理研究生 Hana Jaafari 和布宜诺斯艾利斯大学教授 Diego U. Ferreiro。
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