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科学家们发现了蛋白质结构和功能之间的进化联系

2019-01-22 10:44:10 • 来源：

蛋白质不仅仅是饮食要求。这种多样的分子几乎为生物体内的所有细胞操作提供动力。科学家可能知道蛋白质的结构或其功能，但并不总是能够将这两者联系起来。“生物学中的一个大问题是蛋白质如何做它的作用。我们认为答案取决于蛋白质的进化，”伊利诺伊大学教授兼生物信息学家Gustavo Caetano-Anollés说。

科学家们发现了蛋白质结构和功能之间的进化联系

地质学家发现，数十亿年前的岩石中残留着生命残余。在某些情况下，微生物和组织的保存非常好，可以检测到曾经与特定蛋白质相关的微观细胞结构。这种地质记录使科学家们在相当长的时间内与蛋白质结构的进化历史隐藏起来。但是，直到现在，与现在相比，并不总是能够将功能与这些结构联系起来，以了解蛋白质在数十亿年前在细胞中的表现。

“这是我们第一次追溯到生物网络，”Caetano-Anollés指出。

Caetano-Anollés和研究生Fayez Aziz和Kelsey Caetano-Anollés使用网络研究蛋白质结构和分子功能之间的联系。他们在地质记录中建立了跨越38亿年的蛋白质结构时间表，但需要一种方法将结构与其功能联系起来。为此，他们研究了数百种生物的基因组成。

“事实证明，随着时间的推移，我们的基因中几乎没有片段，这些片段非常难以保存，”Caetano-Anollés说。“而且不只是在人类基因组中。当我们看到高等生物，如植物，真菌和动物，以及细菌，古细菌和病毒时，相同的片段总是在那里。我们一遍又一遍地看到它们。”

研究小组发现，这些微小的基因片段会让蛋白质产生“环”，这是蛋白质中最微小的结构单元。当环路结合在一起时，它们会产生活性位点或分子袋，从而赋予蛋白质功能。例如，血红蛋白，即在血液中携带氧的蛋白质，具有两个环，其产生结合氧的活性位点。环结合起来产生更大的蛋白质结构，称为结构域。

值得注意的是，新的研究表明，循环已被反复招募以执行新功能，并且该过程自生命开始以来一直活跃和持续。“这种招募对于理解生物多样性非常重要，”Caetano-Anollés说。该研究的一个重要方面涉及域结构和功能环之间的实际联系。研究人员发现，这种联系的特点是一种意外的属性，这种属性在时间上展开，这是一种称为分层模块化的“紧急”属性。

“循环是有凝聚力的模块，域，蛋白质，细胞，器官和身体也是如此。” Caetano-Anollés解释道。“我们都是由具有凝聚力的模块组成的，包括我们的人体。这是层次结构的模块化：将小的有凝聚力的部分构建成更大，越来越复杂的整体。”

分层模块化也存在于人造网络中，例如互联网。例如，每个路由器代表一个“信息”，它将信息推送到不同的计算机。当数百万台计算机在线互相交互时，会出现更大，更复杂的实体。Caetano-Anollés认为，人造网络的演变可以像生物网络的演化一样进行映射。

“从计算机科学的角度来看，很少有人一直在探索如何及时跟踪网络。想象一下，当新的路由器被添加，断开连接或相互联网时，互联网如何发展和变化。这是一项艰巨的任务，因为那里数百万台路由器需要跟踪，互联网通信可以是高度动态的。在我们的研究中，我们展示了如何通过一个非常小的网络来实现它，“Caetano-Anollés解释道。

Caetano-Anollés及其团队开发的方法现在有可能解释变化如何构建系统，如互联网，社交网络或生物体中所有蛋白质的集合。

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