近日，美國(guó)芝加哥大學(xué)和俄勒岡大學(xué)科學(xué)家利用生化技術(shù)復(fù)活了一些古老的基因,，在現(xiàn)代生物體上測(cè)試了它們的功能。相關(guān)論文發(fā)表在近期的《自然》雜志網(wǎng)站上,。研究者得出了令人驚訝的結(jié)論：分子機(jī)器中出現(xiàn)的一個(gè)新組件,，是為了彌補(bǔ)功能上的選擇性損失，而不是突然出現(xiàn)了新能力,。
“分子機(jī)器”是多種特殊蛋白質(zhì)組成的復(fù)合體,，這些蛋白質(zhì)能共同協(xié)作執(zhí)行某個(gè)生物功能。大部分活細(xì)胞要發(fā)揮功能,，必須通過(guò)“分子機(jī)器”來(lái)實(shí)現(xiàn),。長(zhǎng)期以來(lái)，進(jìn)化的腳步如何一點(diǎn)點(diǎn)地造就出這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)還是個(gè)謎,。
追溯古老基因變異
芝加哥大學(xué)人類遺傳,、進(jìn)化與生態(tài)學(xué)教授喬·桑頓的實(shí)驗(yàn)室和俄勒岡大學(xué)化學(xué)教授、分子生物學(xué)研究院的湯姆·斯蒂芬研究小組合作,，集中研究了一種叫做V-ATPase質(zhì)子泵的分子機(jī)器,，這種質(zhì)子泵能幫助細(xì)胞保持其內(nèi)部合適的酸性。他們用這種分子機(jī)器演示了8億年前一些具有很高變異可能性的微小變異是怎樣增加了分子機(jī)器的復(fù)雜性。
“我們的策略是通過(guò)‘分子時(shí)間旅行’重建蛋白質(zhì),，并在分子機(jī)器變得復(fù)雜的前后,，檢驗(yàn)其中所有蛋白質(zhì)的特征屬性。”論文高級(jí)作者喬·桑頓說(shuō),，“按照過(guò)去的樣子重建分子機(jī)器的各個(gè)部件,，我們能精確獲知每個(gè)蛋白的功能是怎樣隨著時(shí)間而變化的，并發(fā)現(xiàn)那些特殊的,，導(dǎo)致機(jī)器變得更復(fù)雜的基因變異,。”
這種質(zhì)子泵的一個(gè)主要部件是一個(gè)環(huán)，能運(yùn)輸氫離子通過(guò)細(xì)胞膜,。在大部分物種中,，環(huán)狀體是由兩種不同蛋白的6個(gè)副本構(gòu)成，但在真菌中,，環(huán)狀體中還包含有第三種蛋白,。為了研究這第三種蛋白是怎樣增加到環(huán)狀體中的，桑頓和同事“重建”了古時(shí)候的環(huán)狀體,，包括第三種蛋白出現(xiàn)之前和出現(xiàn)之后的樣子,。
他們將多臺(tái)計(jì)算機(jī)組合起來(lái)，共同分析了139個(gè)現(xiàn)代環(huán)狀體蛋白的基因序列,，逆向追溯進(jìn)化的蹤跡,，沿著生命之樹以發(fā)現(xiàn)最可能的古老序列。然后通過(guò)生化方法合成那些古代基因,，在現(xiàn)代酵母菌上將其表達(dá)出來(lái),。這也是首次將這種單個(gè)基因的“分子時(shí)間旅行法”，應(yīng)用到分子機(jī)器中的所有蛋白質(zhì)部件中,。
他們發(fā)現(xiàn),，較老的環(huán)只有兩種蛋白質(zhì)，當(dāng)其中一個(gè)蛋白的基因正在被復(fù)制時(shí),，其后代基因偏離了自身的進(jìn)化路徑,，這是環(huán)狀體中第三種蛋白質(zhì)的起源。去除環(huán)狀體中任一個(gè)或者兩個(gè)子代環(huán)蛋白基因,，都會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)代酵母菌無(wú)法生長(zhǎng),，讓其表達(dá)復(fù)制前的祖先基因后則能挽救；與此相比,，復(fù)蘇復(fù)制后的兩個(gè)子代基因中的任一個(gè),，都只能彌補(bǔ)一個(gè)環(huán)蛋白基因的損失。這表明,，復(fù)制前的祖先基因比它兩個(gè)子代中的任一個(gè)擁有更多功能,。
復(fù)雜結(jié)構(gòu)代替多功能
“復(fù)雜性的增加是由于蛋白質(zhì)功能的損失而不是獲得,。這雖然違反直覺，卻很容易理解,。”桑頓說(shuō),，“正像在社會(huì)中，個(gè)人和機(jī)構(gòu)放棄了多功能而轉(zhuǎn)向依靠專業(yè)化的社會(huì)分工,，隨著能力范圍的日益狹小而造成了整個(gè)社會(huì)的日益復(fù)雜,。”
為了檢驗(yàn)這一點(diǎn)，研究人員設(shè)計(jì)了一套祖先蛋白,，融合了每一個(gè)定向發(fā)展的子代功能,。在環(huán)狀體結(jié)構(gòu)中，復(fù)制前的祖先蛋白占了6個(gè)可能位置中的5個(gè),，而每個(gè)復(fù)制基因6個(gè)位置全被占滿,，由此喪失了填補(bǔ)空位的能力，所以要發(fā)揮整體功能這后兩個(gè)基因都變得必不可少,。實(shí)驗(yàn)顯示,，復(fù)制后的蛋白喪失了其與某個(gè)環(huán)蛋白相互作用的能力。
找到了導(dǎo)致復(fù)制后子代功能退化的基因變異后,，他們?cè)谧嫦鹊鞍字兄匦乱氚l(fā)生了歷史性變異后的基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn),，每個(gè)子代只需一次變異就喪失了同樣的功能,，從而引發(fā)了引入第三種環(huán)蛋白的需求。
研究人員推測(cè),，祖先蛋白的功能被分割開來(lái),，分別賦予了子代副本，復(fù)雜性的增加是為了補(bǔ)償祖先蛋白功能上的損失,，而不是獲得了新功能,。
“這種增加復(fù)雜性的機(jī)制非常簡(jiǎn)單而普遍。因?yàn)樵诩?xì)胞中,，基因被頻繁地復(fù)制,，而復(fù)制過(guò)程中很容易出錯(cuò)，使得蛋白質(zhì)和它們的搭檔之間喪失配合,。”桑頓解釋說(shuō),，“這和精確設(shè)計(jì)的機(jī)器完全不同。分子機(jī)器是碰巧彼此連在一起的分子群,，是在進(jìn)化過(guò)程中為了修補(bǔ)漏洞而匆忙拼湊的,，在功能上退化了，由于幫助我們的祖先生存下來(lái)而被幸運(yùn)地保留,。”
研究人員提出,，簡(jiǎn)單的積累,，長(zhǎng)期以來(lái)的退行性改變，在今天的生物體中形成了許多復(fù)雜的分子機(jī)器,。這種機(jī)制并不符合所謂的“不可簡(jiǎn)化的復(fù)雜性”這一智能設(shè)計(jì)概念,，分子機(jī)器太過(guò)復(fù)雜就無(wú)法在進(jìn)化中再上臺(tái)階。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature10724
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PMID:
Evolution of increased complexity in a molecular machine
Gregory C. Finnigan, Victor Hanson-Smith, Tom H. Stevens & Joseph W. Thornton
Many cellular processes are carried out by molecular ‘machines’—assemblies of multiple differentiated proteins that physically interact to execute biological functions. Despite much speculation, strong evidence of the mechanisms by which these assemblies evolved is lacking. Here we use ancestral gene resurrection and manipulative genetic experiments to determine how the complexity of an essential molecular machine—the hexameric transmembrane ring of the eukaryotic V-ATPase proton pump—increased hundreds of millions of years ago. We show that the ring of Fungi, which is composed of three paralogous proteins, evolved from a more ancient two-paralogue complex because of a gene duplication that was followed by loss in each daughter copy of specific interfaces by which it interacts with other ring proteins. These losses were complementary, so both copies became obligate components with restricted spatial roles in the complex. Reintroducing a single historical mutation from each paralogue lineage into the resurrected ancestral proteins is sufficient to recapitulate their asymmetric degeneration and trigger the requirement for the more elaborate three-component ring. Our experiments show that increased complexity in an essential molecular machine evolved because of simple, high-probability evolutionary processes, without the apparent evolution of novel functions. They point to a plausible mechanism for the evolution of complexity in other multi-paralogue protein complexes.
