作者:Karin Voordeckers 来源:《PLoS生物学》 发布时间:2013-2-1 10:01:09
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复活灭绝酶揭示物种进化功能
 
我们能生存下来,是因为我们的祖先成功地适应了所处环境的变化。但物种在进化中是如何创新的?据物理学家组织网近日报道,一个由比利时弗兰德斯生物技术研究所(VIB)、美国哈佛大学等多个单位的研究人员组成的国际小组,通过重建一种史前酵母菌细胞的DNA(脱氧核糖核酸)和蛋白质,直接检查了进化的驱动力是如何通过一亿年的作用,塑造了现代酶的。相关论文在线发表于《公共科学图书馆·生物学》上。
 
新基因的一个最大来源,就是已有基因在复制中的偶然变异。随后,变异副本会不断编码合成最初的酶,执行它们早期的功能。酶是一种生物催化剂,让生物能操控分子按照自己的意愿行事。虽然也有其他一些酶不必经过基因突变,也能执行新功能,但相比之下,这两种新酶可能在更细分的功能上有所不同。
 
在进化过程中,这种创新模式已经发生过千万次,但人们对该模式是如何发生的还不太清楚。仅考察现有生物,会限制人们对实际进化过程的理解,因为一些进化的关键事件会被亿万年漫长的时间所覆盖,我们需要的是一部“时间机器”。
 
研究人员“复活”了古代酵母菌的基因,并集中研究由这些基因编码合成的酶的进化,考察酶的进化怎样让酵母菌在一亿年里不断扩展它们的食物源。最初的酶让酵母菌细胞在进化初期靠吃麦芽糖而生存,但基因复制的改变产生了新的酶,它们就有可能去吃环境中那些以前不能吃的糖。
 
“我们用测序重建算法预测了祖先遗留下来的古老基因的DNA序列,这些遗留基因从几十个现在DNA序列中取得。由此我们能重建相应的古老蛋白质,将它们和现代蛋白质进行比较。”VIB植物系统生物学系斯蒂芬·马利说。
 
“复活”这些酶也意味着,研究人员能构建出一幅有关该酶的详细原子结构图,直接测定它们分解其他糖类的能力。利用这些信息,就能推导出该酶的特性是怎样变化的,进化怎样使它们达到最优化。
 
“我们的研究目标非常具体,就是酵母菌怎样进化成能分解多种糖类的。我们发现,最初的基因,也就是为那些消化麦芽糖的蛋白质编码的基因,在进化过程中被复制了许多次,某些副本DNA有了轻微改变,导致产生了新蛋白质,能分解不同的糖类。通过模拟相应蛋白质中的这些改变,现在我们理解了DNA中一些很小的改变,也会导致全新功能的蛋白质产生。”VIB系统生物学实验室的卡琳·沃戴科说。
 
研究人员认为,酵母细胞开拓糖源的事件,也反映了物种在进化创新中广泛采用的一种策略。沃戴科说:“具有新功能的DNA不会凭空出现,但却能在已有的DNA功能片断的复制中,逐渐得到加强。通过重建史前的、曾在进化过程中被多次复制过的DNA片断,我们能详细考察每个副本所发生的改变,它们怎样逐渐发展出了新功能。我们的研究提供了独特的视角,让人们能看到达尔文进化论的详细分子细节。”(来源:科技日报 常丽君)
 
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