研究：蛋白质“大爆炸”揭示了医学和生物工程应用的分子构成
自从COVID-19大流行开始以来，蛋白质已经悄悄地“接管”了人们的生活。人们一直生活在该病毒所谓的“刺突糖蛋白”的支配下，它已经变异了几十次，产生了越来越致命的变种。但事实是，我们一直都被蛋白质所“统治”。在细胞层面，它们负责几乎所有的事情。
蛋白质是如此基本，以至于DNA--使我们每个人都独一无二的遗传物质--本质上只是一长串的蛋白质蓝图。这对动物、植物、真菌、细菌、古细菌，甚至病毒都是如此。正如这些生物群体随着时间的推移而进化和变化一样，蛋白质及其组成部分也是如此。
“了解结构域在进化过程中如何以及为何在蛋白质中结合，可以帮助科学家了解和设计蛋白质的活性，用于医学和生物工程的应用。例如，这些见解可以指导疾病管理，例如用COVID-19病毒的刺突糖蛋白制作更好的疫苗，”伊利诺伊大学卡尔-R-沃斯基因组生物学研究所作物科学系教授、该论文的资深作者Gustavo Caetano-Anollés说。
Caetano-Anollés研究了自大流行病早期阶段以来COVID突变的演变，但这一时间线只代表了他和博士生Fayez Aziz在当前研究中所承担的一小部分。
研究人员汇编了所有分类组（包括高等生物和微生物）数百个基因组中编码的数百万条蛋白质序列的序列和结构。他们关注的不是整个蛋白质，而是结构域。“大多数蛋白质是由一个以上的结构域组成的。这些是紧凑的结构单元，或模块，承载着专门的功能，”Caetano-Anollés说。“更重要的是，它们是进化的单位。”
在将蛋白质分类为结构域以建立进化树之后，他们着手建立一个网络，以了解结构域如何在数十亿年的进化过程中发展并在蛋白质中共享。
“我们建立了一个时间序列的网络，描述了结构域是如何积累的，以及蛋白质是如何通过进化重新排列其结构域的。”Fayez Aziz说：“这是第一次将这样的'结构域'网络作为进化年表来研究。我们的调查显示，有一个庞大的演化网络，描述了蛋白质中的结构域如何相互结合。”
该网络的每一个链接都代表了一个特定的结构域被招募到一个蛋白质中的时刻，通常是为了执行一个新的功能。
Fayez Aziz说：“仅这一事实就强烈地表明结构域的招募是自然界的一种强大力量。年表还揭示了哪些结构域贡献了重要的蛋白质功能。例如，研究人员能够追踪负责环境感知以及次级代谢物或用于细菌和植物防御的毒素的结构域的起源。”
分析显示，在蛋白质进化的早期，结构域开始结合，但也有网络爆炸性增长的时期。例如，研究人员描述了15亿年前领域组合的 "大爆炸"，与多细胞生物和真核生物（包括人类在内的具有膜结合核的生物）的崛起相吻合。
Caetano-Anollés团队之前报道了新陈代谢的大规模和早期起源，他们最近在追踪新陈代谢网络的历史时再次发现了这一点。描述蛋白质进化拼凑的“大爆炸”的历史记录为理解蛋白质构成提供了新的工具。
“这可能有助于确定，例如，为什么结构变异和基因组重组在SARS-CoV-2中经常发生，”Caetano-Anollés说。
他补充说，这种理解蛋白质的新方法可以通过剖析病毒疾病的起源来帮助预防大流行病。它还可以在疾病爆发时通过改进疫苗设计来帮助缓解疾病。
