能量景观理论揭示了可折叠蛋白质的进化

莱斯大学的彼得·沃利内斯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

Rice和布宜诺斯艾利斯大学的研究人员使用能量景观理论来区分蛋白质序列的可折叠部分和不可折叠部分。他们的研究阐明了正在进行的争论，即在蛋白质起源过程中仅编码部分蛋白质的DNA片段是否可以自行折叠

研究人员专注于蛋白质结构中外显子与蛋白质可折叠性进化之间的广泛关系。他们强调了外显子和内含子的重要性，外显子是基因中编码蛋白质的部分，内含子是基因翻译成蛋白质时丢弃的沉默区域

“利用现有的广泛的基因组外显子-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，”D.R.Bullard Welch基金会科学教授、化学、生物科学、物理和天文学教授、理论生物物理中心（CTBP）联合主任Wolynes说

当20世纪70年代发现基因片段时，人们立即提出，通过分解序列，这种结构有助于构建可折叠的蛋白质。Wolynes说，当研究人员在20世纪90年代再次研究这一问题时，现有的数据是模棱两可的

该团队现在已经评估了外显子作为38个丰富和保守的蛋白质家族的潜在蛋白质折叠模块。随着时间的推移，外显子可以在基因组中随机移动，导致基因的显著变化和新蛋白质的产生。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

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执行生物功能。氨基酸的特定序列决定了最终的3D结构。因此，外显子翻译成独立折叠的蛋白质区域或折叠子的想法非常有吸引力

研究人员使用计算方法测量了外显子编码的氨基酸链折叠成稳定的3D结构的可能性，类似于完整的蛋白质。他们的结果表明，虽然不是所有的外显子都能产生可折叠的模块，但在不同的生物体中一致发现的最保守的外显基因与更好的折叠相对应

这项研究发现，在某些球状蛋白家族中，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，以在相关的时间尺度内执行生物功能。这种相关性是蛋白质科学中的一个基本概念，使用基因组数据和能量函数进行评估

有趣的是，这一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可能会影响蛋白质的折叠和进化。研究人员的工作为未来的研究铺平了道路，以了解这些额外的因素及其对进化生物学的影响

研究团队包括CTPB的博士后研究员Carlos Bueno；Hana Jaafari，莱斯大学应用物理研究生；以及布宜诺斯艾利斯大学教授Diego U.Ferreiro More information: Ezequiel A. Galpern et al, Reassessing the exon–foldon correspondence using frustration analysis, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2400151121

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences