古代双手灵巧的蛋白质打破了分子手性的规则

一项研究发现，一种与核酸结合的古老蛋白质基序在功能上是“双手灵巧的”。这意味着该基序可以与天然和镜像核酸相互作用，这是以前从未报道过的核酸结合现象。这项研究提供了蛋白质进化的独特快照，并提出了关于地球上生命起源和历史的有趣问题。

该研究发表在《Angewandte Chemie International Edition》杂志上。该研究由东京科学研究所地球生命科学研究所（ELSI）的研究人员与耶路撒冷希伯来大学和魏茨曼科学研究所合作领导。

像人手一样，许多分子以“右手”和“左手”的形式存在，它们是彼此的镜像。地球上的生命对分子手性有强烈的偏好：蛋白质由左旋氨基酸组成，而核酸由右旋糖组成。

这种现象被称为同手性，是我们所知的生物学的一个基本特征。除了少数例外，翻转复杂分子的手性会导致它与地球生命脱节并停止运作。这有点像爱丽丝穿过镜子，进入了一个与她自己的世界截然不同的世界。这一事实导致了一种长期的观点，即镜像蛋白质不能发挥其正常的生物学功能。

目前的研究对这一假设提出了挑战。在这项研究中，研究人员报告说，一种名为螺旋发夹螺旋（HhH）基序的原始且广泛保守的蛋白质结构能够以左旋和右旋形式发挥作用。在自然状态下，HhH基序与DNA和RNA结合。

令人惊讶的是，研究人员发现，该基序的化学合成镜像也是功能性的——作者将这种现象称为功能性双元性。简单来说，HhH图案就像一只手套，可以紧紧地戴在双手上。以前没有报道过这种核酸结合蛋白。

双链DNA具有右旋扭曲，因此合理的预期是镜像蛋白质无法结合。

该研究的第一作者Liam M.Longo教授说：“我在电脑上玩这个基序，突然想到：这个基序可以结合镜像DNA。”。“但是，我们对结构看得越多，就越认为我们可能发现了什么。”

为了研究含有镜像HhH基序的蛋白质是否与双链DNA结合，他们合成了镜像蛋白质，并在实验室测量了它的结合。果然，检测到了结合。

但是镜像蛋白的结合与天然蛋白相似吗？为了验证这一点，研究人员分析了未结合的动力学以及几种突变的影响。这两种方法都有惊人的相似之处。受到这些结果的鼓舞，Longo联系了计算化学家Yaakov（Koby）Levy教授，他可以使用分子模拟来绘制结合过程的详细分子图像。

研究人员的发现让他们感到惊讶：尽管天然和镜像蛋白质与DNA的结合方式存在差异，但在每种情况下，蛋白质的相似区域都负责结合。换句话说，这两种结合模式在分子水平上相互关联。

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这项研究是一个令人兴奋的双手灵巧蛋白与核酸结合的第一个例子，提出的问题比它回答的问题更多。最初是什么力量使这种蛋白质具有双手灵巧性？梅坦尼斯说：“我们仍然不知道。”。

“也许它反映了这个结构域需要结合多种类型的DNA结构，或者沿着DNA分子滑动。”

或者它指向了一个更大的进化之谜：“最有趣的解释是，功能性双元性曾经受到选择压力，这可能是由于古老的镜像生命，”Longo说。但作者警告说，我们距离得出如此挑衅性的结论还有很长的路要走。

研究人员包括ELSI特别任命的副教授Liam M.Longo教授和硕士生Tatsuya Corlett，与耶路撒冷希伯来大学的Norman Metanis教授和Orit Weil-Ktorza博士以及魏茨曼科学研究所的Yaakov（Koby）Levy教授、博士生Segev Naveh Tassa、Yael Fridmann Sirkis博士、Dragana Despotović博士和Kesava Phaneendra Cherukuri博士合作。p