芝加哥大学医学中心 信用:CC0公共领域 芝加哥大学的一项新研究表明，复杂的蛋白质结构即使毫无用处，也会随着时间的推移而积累，因为一种普遍的生化特性和遗传密码迫使自然选择来保护它们
该作品于12月16日出版
《自然》杂志2020年9月号
我们细胞中的大多数蛋白质与其他蛋白质形成特定的复合物，这一过程称为多聚体化
像生物学中其他种类的复杂性一样，多聚体通常被认为是在进化过程中持续存在的，因为它们赋予了一些自然选择所青睐的功能性益处
资深作者约瑟夫·桑顿博士说:“复杂性如何进化是进化生物学的重大问题之一。”
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芝加哥大学人类遗传学、生态学和进化论教授
“经典的解释是，复杂的结构必须存在，因为它们给生物体带来了一些功能上的好处，所以自然选择驱动着不断增加的复杂状态
显然，在某些情况下，复杂性是适应性的，就像眼睛的进化一样:复杂的眼睛比简单的眼睛看得更清楚
但是在分子水平上，我们发现还有其他简单的机制推动了复杂性的增加
" 该研究小组由桑顿和芝加哥大学博士后乔治·霍克伯格博士领导
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，着手研究一个称为类固醇激素受体的蛋白质家族的多聚化进化，该家族成对组装(称为二聚体)
桑顿说，他们使用了一种被称为祖先蛋白质重建的技术，这是一种分子“时间旅行”，使他们能够在实验室中重建古代蛋白质，并通过实验研究它们是如何受到数亿年前发生的突变的影响的
令他们惊讶的是，他们发现古代蛋白质组装成二聚体时的功能与从未进化成二聚体时没有什么不同
形成这个复合体没有任何用处或好处
为什么受体的二聚体形式持续了4.5亿年，其解释出人意料地简单
“这些蛋白质逐渐对它们的相互作用上瘾了，尽管没有什么有用的东西，”霍赫伯格解释说，他现在是德国马尔堡马克斯·普朗克研究所的小组负责人
“蛋白质中形成配偶体相互结合界面的部分积累了突变，这些突变在二聚体进化后是可以容忍的，但在单独状态下是有害的
这使得蛋白质完全依赖于二聚体形式，它不能再返回
无用的复杂性变得根深蒂固，基本上是永远的
" 研究人员表明，简单的生化、遗传和进化原理使得分子复合体的巩固不可避免
编码每种蛋白质的基因在几代人的时间里会不断发生突变，其中许多会破坏蛋白质折叠和正常功能的能力
一种被称为净化选择的自然选择形式从群体中去除了这些有害的突变
一旦蛋白质进化为多聚体，形成界面的部分可以积累突变，如果蛋白质处于单一状态，这些突变是有害的，只要它们在多聚体中可以被耐受
净化选择，然后巩固复杂的形式，防止回到单独的状态
研究人员表明，一个简单而普遍的生物化学规则是防御的基础
蛋白质由氨基酸组成，氨基酸可能是水溶性的，也可能是疏水性的，这意味着它们很容易溶解在油中，但不溶于水
通常，蛋白质折叠，所以水溶性氨基酸在外面，疏水性氨基酸在里面
使蛋白质表面更易溶于油的突变会损害其折叠，因此如果它们出现在单一蛋白质中，纯化选择会将其去除
然而，如果蛋白质进化成多聚体，界面上的疏水氨基酸对水是隐藏的，对纯化选择是不可见的
多聚体然后被固定，因为回到单一状态会暴露现在油溶性的有害界面
这种“疏水棘轮”似乎是通用的
研究人员分析了一个庞大的蛋白质结构数据库，包括数百个二聚体和相关的单个蛋白质，发现绝大多数界面已经变得如此疏水，以至于二聚体形式根深蒂固
这种机制在数亿年的时间里对数千种蛋白质起作用，可以驱动细胞内许多无用复合物的逐渐积累
“一些复合体肯定有重要的功能，但即使是那些也会被疏水棘轮所固定，使它们比其他情况下更难丢失，”霍赫伯格说
“随着棘轮在后台不断运转，我们的细胞可能已经积累了大量根深蒂固的复合体，其中许多从未发挥过有用的功能，或者很久以前就停止了
" 未来的方向包括研究除了多聚化之外的相互作用是否是巩固的结果
桑顿说:“这是一个关于蛋白质与自身的其他拷贝二聚化的故事，这是一个非常常见的过程。”
“但细胞中还有许多其他的相互作用，我们认为其中一些可能是在进化过程中积累的，因为类似的对分子复杂性的获得性依赖
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