创造性破坏：探索蛋白质的进化

蛋白质的存在时间比我们长得多——作为生物进化的基石，我们的存在依赖于它们。现在，佐治亚理工学院的研究人员正在应用20世纪的理论概念来研究蛋白质是如何进化的，这可能会导致人类最古老的问题之一的答案：我们是如何成为我们的?

一个典型的人体细胞内有数以万计的蛋白质。我们需要这么多，因为蛋白质是细胞的熟练工人，每个人都执行特定的工作。有些使肌肉细胞或神经元变得坚硬。其他人与特定的靶向分子结合，将它们运送到新的位置。还有其他激活细胞分裂和生长过程的方法。

蛋白质的特定功能取决于它的形状，为了实现其功能形状 - 它是天然状态 - 蛋白质折叠。蛋白质以长链氨基酸的形式开始其生命，称为多肽。氨基酸序列决定了蛋白质链将如何折叠并形成复杂的3D结构，使蛋白质能够执行预期的任务。

在Loren Williams的实验室中，研究人员正在使用“创造性破坏”作为蛋白质折叠进化和创新的模型。这个术语由奥地利经济学家和政治学家约瑟夫·熊彼特(Joseph Schumpeter)在1940年代创造，描述了故意拆除一个既定的东西，比如有线电话，以开发一个新事物，比如智能手机。

“我们的蛋白质结构已经进化了近四十亿年，我们并不真正了解它们来自哪里，或者它们是如何变成现在的样子的，”威廉姆斯实验室的博士后研究员克劳迪娅·阿尔瓦雷斯 - 卡雷尼奥说，该实验室被称为生命起源中心，或COOL。“形成这些结构是一个非常复杂的过程，关于它们如何在早期进化中出现，有很多假设。

推陈出新

Alvarez-Carreño是最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的论文“创造性破坏：来自旧的新蛋白质折叠”的主要作者。她和她的合著者(Williams，Rohan Gupta和Anton Petrov)挖掘了翻译机器中最深刻的进化历史 - 它存在于核糖体的所有细胞中，是所有蛋白质的发源地。

研究人员提供了证据支持一些最简单，最古老和最常见的蛋白质折叠的共同起源。它暗示了一种创造性破坏的形式在起作用，解释了简单的蛋白质折叠如何产生更复杂的折叠。

他们发现，一旦一种蛋白质可以折叠并实现其3D结构，当它与另一种折叠成不同3D结构的蛋白质结合时，这种组合很容易成为一种新的结构。“所以也许从一种结构到另一种结构并不像我们想象的那么困难，”化学与生物化学学院教授威廉姆斯说。“也许这可以解释我们今天看到的蛋白质结构的多样性。

在熊普特的创造性破坏模型中，开发“子产品”涉及对祖先产品的破坏。“子产品可以继承祖先的特征，但本质上可以与他们不同，”他们在论文中写道。在智能手机示例中，祖先将有线电话、计算机、相机、全球定位和其他技术合并以创建子，即智能手机。

女儿继承了祖先的许多特征。这些特征在女儿中以特定的方式相互作用，创造了在祖先中无法获得甚至不可能的新功能生态位。

“因此，蛋白质折叠的创造性破坏可能是我们看到的许多多样性的原因，”威廉姆斯说。

分子合并

自从数十亿年前地球上出现最简单、最古老的蛋白质折叠以来，折叠的数量已经扩大到形成了我们在现代生物学中看到的蛋白质功能宇宙。

但是蛋白质折叠的起源和起作用的进化机制提出了威廉姆斯和他的团队考虑的生物学核心问题。例如，蛋白质折叠是如何产生的，是什么导致了当代生物系统中蛋白质折叠的多样性，为什么近四十亿年的折叠进化产生了不到2个不同的折叠?

研究人员认为，创造性破坏可以概括为解释很多这种情况。

他们解释说，在创造性破坏中，一个开放的阅读框 - 编码蛋白质的DNA序列的跨度 - 与另一个合并以产生融合的多肽。合并迫使这两个祖先进入一个新的结构。由此产生的多肽可以达到合并前任何独立祖先都无法获得的形式。但这些新的褶皱并不完全独立于旧的。也就是说，子折继承了祖先折中的一些东西。

从广义上讲，这就是威廉姆斯和他的团队观察到的，他们认为他们的创造性破坏模型在研究疾病方面有一些应用——折叠不当的蛋白质会影响细胞和由这些细胞组成的人类的健康。

“例如，我们认为这个过程在癌症的生物学中很重要 - 有许多蛋白质已经融合，我们相信已经在癌症中重新折叠，”威廉姆斯说。“还有蛋白质聚集性疾病的世界，如帕金森氏症或阿尔茨海默氏症，以及没有正确折叠或已经重新折叠的蛋白质。

但是现在，威廉姆斯和他的团队最感兴趣的是他们的创造性破坏模型如何帮助他们理解我们进化过程中一些最深刻的问题。

“就像，我们从哪里来，”威廉姆斯说。“创造性破坏可以帮助我们了解我们体内蛋白质的来源以及我们如何成为我们自己。

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