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科学家以“分子时间旅行”再现古老进化过程

  “分子机器”是多种特殊蛋白质组成的复合体,这些蛋白质能共同协作执行某个生物功能。大部分活细胞要发挥功能,必须通过“分子机器”来实现。长期以来,进化的脚步如何一点点地造就出这些复杂的结构还是个谜。

  最近,美国芝加哥大学和俄勒冈大学科学家利用生化技术复活了一些古老的基因,在现代生物体上测试了它们的功能,并得出了令人惊讶的结论:分子机器中出现的一个新组件,是为了弥补功能上的选择性损失,而不是突然出现了新能力。该论文发表在近日的《自然》杂志网站上。

  追溯古老基因变异

  芝加哥大学人类遗传、进化与生态学教授乔·桑顿的实验室和俄勒冈大学化学教授、分子生物学研究院的汤姆·斯蒂芬研究小组合作,集中研究了一种叫做V-ATPase质子泵的分子机器,这种质子泵能帮助细胞保持其内部合适的酸性。他们用这种分子机器演示了8亿年前一些具有很高变异可能性的微小变异是怎样增加了分子机器的复杂性。

  “我们的策略是通过‘分子时间旅行’重建蛋白质,并在分子机器变得复杂的前后,检验其中所有蛋白质的特征属性。”论文高级作者乔·桑顿说,“按照过去的样子重建分子机器的各个部件,我们能精确获知每个蛋白的功能是怎样随着时间而变化的,并发现那些奇特的,导致机器变得更复杂的基因变异。”

  这种质子泵的一个主要部件是一个环,能运输氢离子通过细胞膜。在大部分物种中,环状体是由两种不同蛋白的6个副本构成,但在真菌中,环状体中还包含有第三种蛋白。为了研究这第三种蛋白是怎样增加到环状体中的,桑顿和同事“重建”了古时候的环状体,包括第三种蛋白出现之前和出现之后的样子。

  他们将多台计算机组合起来,共同分析了139个现代环状体蛋白的基因序列,逆向追溯进化的踪迹,沿着生命之树以发现最可能的古老序列。然后通过生化方法合成那些古代基因,在现代酵母菌上将其表达出来。这也是首次将这种单个基因的“分子时间旅行法”,应用到分子机器中的所有蛋白质部件中。

  他们发现,较老的环只有两种蛋白质,当其中一个蛋白的基因正在被复制时,其后代基因偏离了自身的进化路径,这是环状体中第三种蛋白质的起源。去除环状体中任一个或者两个子代环蛋白基因,都会导致现代酵母菌无法生长,让其表达复制前的祖先基因后则能挽救;与此相比,复苏复制后的两个子代基因中的任一个,都只能弥补一个环蛋白基因的损失。这表明,复制前的祖先基因比它两个子代中的任一个拥有更多功能。

  复杂结构代替多功能

  “复杂性的增加是由于蛋白质功能的损失而不是获得。这虽然违反直觉,却很容易理解。”桑顿说,“正像在社会中,个人和机构放弃了多功能而转向依靠专业化的社会分工,随着能力范围的日益狭小而造成了整个社会的日益复杂。”

  为了检验这一点,研究人员设计了一套祖先蛋白,融合了每一个定向发展的子代功能。在环状体结构中,复制前的祖先蛋白占了6个可能位置中的5个,而每个复制基因6个位置全被占满,由此丧失了填补空位的能力,所以要发挥整体功能这后两个基因都变得必不可少。实验显示,复制后的蛋白丧失了其与某个环蛋白相互作用的能力。

  找到了导致复制后子代功能退化的基因变异后,他们在祖先蛋白中重新引入发生了历史性变异后的基因,结果发现,每个子代只需一次变异就丧失了同样的功能,从而引发了引入第三种环蛋白的需求。

  研究人员推测,祖先蛋白的功能被分割开来,分别赋予了子代副本,复杂性的增加是为了补偿祖先蛋白功能上的损失,而不是获得了新功能。

  “这种增加复杂性的机制非常简单而普遍。因为在细胞中,基因被频繁地复制,而复制过程中很容易出错,使得蛋白质和它们的搭档之间丧失配合。”桑顿解释说,“这和精确设计的机器完全不同。分子机器是碰巧彼此连在一起的分子群,是在进化过程中为了修补漏洞而匆忙拼凑的,在功能上退化了,由于帮助我们的祖先生存下来而被幸运地保留。”

  研究人员提出,简单的积累,长期以来的退行性改变,在今天的生物体中形成了许多复杂的分子机器。这种机制并不符合所谓的“不可简化的复杂性”这一智能设计概念,分子机器太过复杂就无法在进化中再上台阶

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