中科院揭示蛋白质在生物从原核到真核这一宏进化过程中变化规
中国科学院昆明动物研究所新实验表明，在生物从原核到真核这一宏进化过程中，氧、硫原子含量明显增加及相关功能基团变化使得真核蛋白进化出可调控复杂生命过程的功能基团。这一发现可为原核生物到真核生物的宏进化研究提供了新的视角。相关文章发表于2013年11月18日的《Gene》杂志上。
几种原子及其组成的相应功能基团的比例在原核生物进化成真核生物中的变化趋势
在生物的多个“复杂性等级”(levels of complexity)中，真核细胞是其中重要的一级。从原核细胞(生物)进化出真核细胞(生物)是生物进化史上最重要的跨越之一。在这一宏进化过程中，作为生命活动的最重要执行者的生物大分子——蛋白质，其原子组成和功能基团发生了怎样的变化?对这一问题的探讨无疑具有十分重要的进化生物学意义。
在中国科学院昆明动物研究所真核细胞进化基因组学研究组文建凡研究员的指导下，张玉娟博士首次全面地调查并比较了氨基酸的5种原子(氧、硫、氮、碳、氢)及其侧链上功能基团在原核和真核蛋白中的组成情况。
通过对1051种原核生物和66种真核生物基于全基因组水平的调查后发现：真核蛋白较原核蛋白具有更高比例的的氧、硫、氮原子;更进一步的直系同源物的聚类(COG)分析揭示出了真核蛋白中的氧、硫、碳、氢比例均显著高于原核生物中的直系同源物。而且，功能基团分析结果显示出真核蛋白趋向于含有更高比例的巯基、羟基和氨酰基，但甲硫基和羧基的含量降低。
以上结果的综合分析表明，在生物从原核到真核这一宏进化过程中，氧原子和硫原子含量的明显增加及其所构成的相关功能基团的变化使得真核蛋白发展出更多的可用于执行复杂多样的生命活动的功能基团。该研究为原核生物到真核生物的宏进化研究提供了新的视角。
该研究得到了中科院创新知识重要方向项目的资助。
原文摘要：
Macroevolutionary trends of atomic composition and related functional group proportion in eukaryotic and prokaryotic proteins
Yu-Juan Zhang, Chun-Lin Yang, You-Jin Hao, Ying Li, Bin Chen, Jian-Fan Wen
To fully explore the trends of atomic composition during the macroevolution from prokaryote to eukaryote, five atoms (oxygen, sulfur, nitrogen, carbon, hydrogen) and related functional groups in prokaryotic and eukaryotic proteins were surveyed and compared. Genome-wide analysis showed that eukaryotic proteins have more oxygen, sulfur and nitrogen atoms than prokaryotes do. Clusters of Orthologous Groups (COG) analysis revealed that oxygen, sulfur, carbon and hydrogen frequencies are higher in eukaryotic proteins than in their prokaryotic orthologs. Furthermore, functional group analysis demonstrated that eukaryotic proteins tend to have higher proportions of sulfhydryl, hydroxyl and acylamino, but lower of sulfide and carboxyl. Taken together, an apparent trend of increase was observed for oxygen and sulfur atoms in the macroevolution; the variation of oxygen and sulfur compositions and their related functional groups in macroevolution made eukaryotic proteins carry more useful functional groups. These results will be helpful for better understanding the functional significances of atomic composition evolution.
