近日，美國芝加哥大學和俄勒岡大學科學家利用生化技術(shù)復活了一些古老的基因，在現(xiàn)代生物體上測試了它們的功能。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：分子機器中出現(xiàn)的一個新組件,，是為了彌補功能上的選擇性損失，而不是突然出現(xiàn)了新能力,。
“分子機器”是多種特殊蛋白質(zhì)組成的復合體,，這些蛋白質(zhì)能共同協(xié)作執(zhí)行某個生物功能。大部分活細胞要發(fā)揮功能,，必須通過“分子機器”來實現(xiàn),。長期以來，進化的腳步如何一點點地造就出這些復雜的結(jié)構(gòu)還是個謎,。
追溯古老基因變異
芝加哥大學人類遺傳,、進化與生態(tài)學教授喬·桑頓的實驗室和俄勒岡大學化學教授、分子生物學研究院的湯姆·斯蒂芬研究小組合作,，集中研究了一種叫做V-ATPase質(zhì)子泵的分子機器,，這種質(zhì)子泵能幫助細胞保持其內(nèi)部合適的酸性。他們用這種分子機器演示了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器的復雜性,。
“我們的策略是通過‘分子時間旅行’重建蛋白質(zhì),，并在分子機器變得復雜的前后，檢驗其中所有蛋白質(zhì)的特征屬性,。”論文高級作者喬·桑頓說,，“按照過去的樣子重建分子機器的各個部件，我們能精確獲知每個蛋白的功能是怎樣隨著時間而變化的,，并發(fā)現(xiàn)那些特殊的,，導致機器變得更復雜的基因變異。”
這種質(zhì)子泵的一個主要部件是一個環(huán),，能運輸氫離子通過細胞膜,。在大部分物種中,，環(huán)狀體是由兩種不同蛋白的6個副本構(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。
他們將多臺計算機組合起來,，共同分析了139個現(xiàn)代環(huán)狀體蛋白的基因序列,，逆向追溯進化的蹤跡，沿著生命之樹以發(fā)現(xiàn)最可能的古老序列,。然后通過生化方法合成那些古代基因,，在現(xiàn)代酵母菌上將其表達出來。這也是首次將這種單個基因的“分子時間旅行法”,，應(yīng)用到分子機器中的所有蛋白質(zhì)部件中,。
他們發(fā)現(xiàn)，較老的環(huán)只有兩種蛋白質(zhì),，當其中一個蛋白的基因正在被復制時,，其后代基因偏離了自身的進化路徑，這是環(huán)狀體中第三種蛋白質(zhì)的起源,。去除環(huán)狀體中任一個或者兩個子代環(huán)蛋白基因,，都會導致現(xiàn)代酵母菌無法生長，讓其表達復制前的祖先基因后則能挽救,；與此相比,，復蘇復制后的兩個子代基因中的任一個，都只能彌補一個環(huán)蛋白基因的損失,。這表明,，復制前的祖先基因比它兩個子代中的任一個擁有更多功能。
復雜結(jié)構(gòu)代替多功能
“復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,，“正像在社會中,，個人和機構(gòu)放棄了多功能而轉(zhuǎn)向依靠專業(yè)化的社會分工，隨著能力范圍的日益狹小而造成了整個社會的日益復雜,。”
為了檢驗這一點,，研究人員設(shè)計了一套祖先蛋白，融合了每一個定向發(fā)展的子代功能,。在環(huán)狀體結(jié)構(gòu)中,，復制前的祖先蛋白占了6個可能位置中的5個,，而每個復制基因6個位置全被占滿，由此喪失了填補空位的能力,，所以要發(fā)揮整體功能這后兩個基因都變得必不可少,。實驗顯示，復制后的蛋白喪失了其與某個環(huán)蛋白相互作用的能力,。
找到了導致復制后子代功能退化的基因變異后,，他們在祖先蛋白中重新引入發(fā)生了歷史性變異后的基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn),，每個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,，祖先蛋白的功能被分割開來,，分別賦予了子代副本，復雜性的增加是為了補償祖先蛋白功能上的損失,，而不是獲得了新功能,。
“這種增加復雜性的機制非常簡單而普遍。因為在細胞中,，基因被頻繁地復制,，而復制過程中很容易出錯，使得蛋白質(zhì)和它們的搭檔之間喪失配合,。”桑頓解釋說,，“這和精確設(shè)計的機器完全不同。分子機器是碰巧彼此連在一起的分子群,，是在進化過程中為了修補漏洞而匆忙拼湊的,，在功能上退化了，由于幫助我們的祖先生存下來而被幸運地保留,。”
研究人員提出,，簡單的積累，長期以來的退行性改變,，在今天的生物體中形成了許多復雜的分子機器,。這種機制并不符合所謂的“不可簡化的復雜性”這一智能設(shè)計概念，分子機器太過復雜就無法在進化中再上臺階,。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature10724
PMC:
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.
