复活灭绝酶揭示物种进化创新功能
中国科技网,2013年02月01日, 作者： 常丽君
中国科技网讯 我们能生存下来，是因为我们的祖先成功地适应了所处环境的变化。但物种在进化中是如何创新的？据物理学家组织网近日报道，一个由比利时弗兰德斯生物技术研究所（VIB）、美国哈佛大学等多个单位的研究人员组成的国际小组，通过重建一种史前酵母菌细胞的DNA（脱氧核糖核酸）和蛋白质，直接检查了进化的驱动力是如何通过一亿年的作用，塑造了现代酶的。相关论文在线发表于《公共科学图书馆·生物学》上。
新基因的一个最大来源，就是已有基因在复制中的偶然变异。随后，变异副本会不断编码合成最初的酶，执行它们早期的功能。酶是一种生物催化剂，让生物能操控分子按照自己的意愿行事。虽然也有其他一些酶不必经过基因突变，也能执行新功能，但相比之下，这两种新酶可能在更细分的功能上有所不同。
在进化过程中，这种创新模式已经发生过千万次，但人们对该模式是如何发生的还不太清楚。仅考察现有生物，会限制人们对实际进化过程的理解，因为一些进化的关键事件会被亿万年漫长的时间所覆盖，我们需要的是一部“时间机器”。
研究人员“复活”了古代酵母菌的基因，并集中研究由这些基因编码合成的酶的进化，考察酶的进化怎样让酵母菌在一亿年里不断扩展它们的食物源。最初的酶让酵母菌细胞在进化初期靠吃麦芽糖而生存，但基因复制的改变产生了新的酶，它们就有可能去吃环境中那些以前不能吃的糖。
“我们用测序重建算法预测了祖先遗留下来的古老基因的DNA序列，这些遗留基因从几十个现在DNA序列中取得。由此我们能重建相应的古老蛋白质，将它们和现代蛋白质进行比较。”VIB植物系统生物学系斯蒂芬·马利说。
“复活”这些酶也意味着，研究人员能构建出一幅有关该酶的详细原子结构图，直接测定它们分解其他糖类的能力。利用这些信息，就能推导出该酶的特性是怎样变化的，进化怎样使它们达到最优化。
“我们的研究目标非常具体，就是酵母菌怎样进化成能分解多种糖类的。我们发现，最初的基因，也就是为那些消化麦芽糖的蛋白质编码的基因，在进化过程中被复制了许多次，某些副本DNA有了轻微改变，导致产生了新蛋白质，能分解不同的糖类。通过模拟相应蛋白质中的这些改变，现在我们理解了DNA中一些很小的改变，也会导致全新功能的蛋白质产生。”VIB系统生物学实验室的卡琳·沃戴科说。
研究人员认为，酵母细胞开拓糖源的事件，也反映了物种在进化创新中广泛采用的一种策略。沃戴科说：“具有新功能的DNA不会凭空出现，但却能在已有的DNA功能片断的复制中，逐渐得到加强。通过重建史前的、曾在进化过程中被多次复制过的DNA片断，我们能详细考察每个副本所发生的改变，它们怎样逐渐发展出了新功能。我们的研究提供了独特的视角，让人们能看到达尔文进化论的详细分子细节。”（常丽君）
