自 COVID-19 大流行开始以来，蛋白质已经悄然占据了我们的生活。我们一直生活在病毒所谓的“刺突”蛋白的影响下，这种蛋白已经突变了数十次，产生了越来越致命的变种。但事实是，我们一直受蛋白质统治。在细胞水平上，它们几乎负责一切。
蛋白质是如此重要，以至于 DNA（使我们每个人都独一无二的遗传物质）本质上只是一长串蛋白质蓝图。对于动物、植物、真菌、细菌、古细菌，甚至病毒来说都是如此。正如这些生物体群体随着时间的推移而进化和变化一样，蛋白质及其组成部分也是如此。
伊利诺伊大学研究人员的一项新研究发表在 Scientific Reports，绘制了 3.8 亿年来蛋白质结构域（蛋白质分子的亚基）的进化历史和相互关系。
“了解蛋白质在进化过程中如何以及为何结合可以帮助科学家理解和设计蛋白质的活性，用于医学和生物工程应用。例如，这些见解可以指导疾病管理，例如利用 COVID-19 病毒的刺突蛋白制造更好的疫苗，”Carl R. Woese 基因组研究所附属作物科学系教授 Gustavo Caetano-Anollés 说伊利诺伊州生物学家，该论文的资深作者。
卡埃塔诺-阿诺莱斯有 研究了新冠病毒突变的演变 从大流行的早期阶段开始，但这个时间线只代表了他和博士生法耶兹·阿齐兹在当前研究中所做的工作的一小部分。
研究人员编译了所有分类群（包括高等生物和微生物）的数百个基因组中编码的数百万个蛋白质序列的序列和结构。他们关注的不是整个蛋白质，而是结构域。
“大多数蛋白质由多个结构域组成。这些是紧凑的结构单元或模块，具有专门的功能，”Caetano-Anollés 说。 “更重要的是，它们是进化的单位。”
在将蛋白质按结构域分类以构建进化树后，他们开始构建一个网络，以了解结构域在数十亿年的进化过程中如何发展并在蛋白质之间共享。
“我们建立了一个时间序列网络，描述结构域如何积累以及蛋白质如何通过进化重新排列其结构域。这是第一次将这种‘领域组织’网络作为进化年表进行研究，”法耶兹·阿齐兹说。 “我们的调查显示，存在一个巨大的不断发展的网络，描述了蛋白质中的结构域如何相互结合。”
网络的每个链接代表特定结构域被招募到蛋白质中的时刻，通常是为了执行新功能。
“仅这一事实就强烈表明，领域招募本质上是一股强大的力量，”法耶兹·阿齐兹说。年表还揭示了哪些结构域贡献了重要的蛋白质功能。例如，研究人员能够追踪负责环境传感以及次生代谢物或细菌和植物防御中使用的毒素的域的起源。
分析显示，结构域在蛋白质进化的早期就开始结合，但也存在网络爆炸性增长的时期。例如，研究人员描述了 1.5 亿年前域组合的“大爆炸”，与多细胞生物和真核生物（包括人类在内的具有膜结合核的生物体）的兴起同时发生。
生物大爆炸的存在并不新鲜。 Caetano-Anollés 的团队之前曾报道过新陈代谢的大规模和早期起源，最近他们再次发现了这一点 追踪代谢网络的历史.
描述蛋白质进化拼凑的大爆炸的历史记录为理解蛋白质构成提供了新工具。
Caetano-Anollés 说：“这可以帮助确定为什么结构变异和基因组重组在 SARS-CoV-2 中经常发生。”
他补充说，这种理解蛋白质的新方法可以通过剖析病毒性疾病的起源来帮助预防流行病。它还可以通过在疫情爆发时改进疫苗设计来帮助减轻疾病。
参考文献：M. Fayez Aziz 和 Gustavo Caetano-Anollés 的“蛋白质结构域组织网络的演化”，8 年 2021 月 XNUMX 日，《科学报告》。
DOI: 10.1038/s41598-021-90498-8
这项工作得到了美国国家科学基金会和美国农业部的支持。
作物科学系位于伊利诺伊大学农业、消费者和环境科学学院。
