研究調(diào)節(jié)細胞操作的蛋白質(zhì)的一些分子生物學(xué)家，包括馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的Elizabeth Vierling，并不局限于他們的研究，以了解分子的當前作用。他們還深入了解蛋白質(zhì)的進化過去，探索哪些結(jié)構(gòu)允許具有新功能的蛋白質(zhì)發(fā)展以滿足新的需求。

作為植物如何應(yīng)對高溫的專家，Vierling多年來的興趣一直是小型熱休克蛋白(HSPs)，它在高溫下積累在植物中，并且似乎充當“分子伴侶”以保護其他蛋白質(zhì)免受損害。

對于當前發(fā)行的科學(xué)報道的工作，Vierling，Indu Santhanagoplan和Eman Basha在UMass Amherst和Vierling的長期合作者，Justin Benesch和他的牛津大學(xué)小組，蛋白質(zhì)生物物理專家，研究了兩種類型的小型HSP來解決他們所謂的問題。一個“基本的進化難題”。也就是說，兩種不同類型的小型熱電聯(lián)產(chǎn)(I類和II類)如何從4億多年前的單一類型演變?yōu)樾纬删哂胁煌δ艿膬煞N不同類型。

“當你研究蛋白質(zhì)功能時，考慮進化是非常重要的，因為它可以提供對潛在功能差異的洞察，以及對功能重要的功能，”Vierling指出。

她解釋說：“我們知道，苔蘚，一些生活在陸地上的植物，以及我們周圍所見的所有其他植物，都可以生產(chǎn)I級和II級小型HSP。我們還證明了這兩種小型HSP具有不同的功能，但它們的確切工作原理尚不清楚。但是，在陸地植物之前出現(xiàn)的藻類只有一種這樣的小型HSP。因此，有時植物生長在陸地上所需的功能，它們基本上復(fù)制了它們的單一小型HSP可以創(chuàng)造兩種類型的小型熱電聯(lián)產(chǎn)，這一定是有利的。“

她補充道，如果每個人都扮演一個單位的角色，那么小型HSP可以復(fù)制自己并繼續(xù)進化。“但大多數(shù)蛋白質(zhì)都在復(fù)合物中起作用，”她指出，“與更多相同蛋白質(zhì)單位或不同蛋白質(zhì)單位的合作伙伴。這使得開發(fā)新功能更加困難，因為新功能可能需要改變合作伙伴。新合作伙伴不僅有彼此適合，但也可能不必混雜。也就是說，它們不能與原始單元一起復(fù)雜化。小型HSP就是這種情況，它們組裝成12個相同單元的十二極管。 “

分子生物學(xué)家說：“數(shù)百萬年前發(fā)生了小的HSP復(fù)制”，兩者本來就是一樣的，就像克隆一樣。在某些時候，它們產(chǎn)生了足夠的差異，以至于它們不再共同組裝了。做不同的事。“

對于這項工作，Vierling說她的實驗室提供了關(guān)于兩個小型HSP的知識并了解它們的功能差異。他們還創(chuàng)造了一種突變蛋白，對于證明兩者之間的結(jié)構(gòu)相似性和差異非常重要。Benesch的實驗室貢獻了蛋白質(zhì)先進生物物理特性，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和組裝原理以及圍繞這些原理的生物物理學(xué)方面的專業(yè)知識。

Vierling說，通常當研究人員觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)如何組裝時，他們會看到結(jié)構(gòu)接觸的位置，因為這是它們兼容的地方。“對這項工作的一個新理解是，我們發(fā)現(xiàn)有些地方遠離相互作用的表面會影響它們是否可以組裝。所以你不能只看它們彼此接觸的地方，你必須看看其他因素“。

她補充說：“本文做了所有花哨的生物化學(xué)和生物物理學(xué)，以說明為什么這兩個小型熱電聯(lián)產(chǎn)不能共同組裝。原因與最終結(jié)構(gòu)的能量學(xué)有關(guān)，而且一些數(shù)據(jù)對于進化生物學(xué)家來說可能是相當深奧的。但由于物理原理控制蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和相互作用，這些是蛋白質(zhì)進化研究中需要考慮的重要因素。這項工作還進一步鞏固了這兩種小型熱水瓶在細胞中具有非常獨特作用的認識。“

除了實驗之外，該團隊還使用計算機模擬來觀察兩種蛋白質(zhì)相互撞擊時的外觀變化如何影響它們作為十二聚體或十二部分組裝的能力。最初的共同作者之一Georg Hochberg也對蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫進行了廣泛的生物信息學(xué)分析，以使工作進入廣泛的進化背景。

她說，“當數(shù)據(jù)匯總在一起時，基本物理參數(shù)的計算可以證明制造相同類型亞基的十二聚體是有利的。這不僅是因為蛋白質(zhì)部分的變化非常小。在十二聚體中粘在一起，但也是由于蛋白質(zhì)的一部分在它們粘在一起之前就會翻轉(zhuǎn)。這些信息與設(shè)計可以以新方式起作用的蛋白質(zhì)復(fù)合物有關(guān)。“

此外，數(shù)據(jù)預(yù)測與許多相同單位如I類和II類小HSP的復(fù)合物在性質(zhì)上是罕見的，這表明它們對植物的重要性不應(yīng)低估，并且定義它們在植物保護中的精確作用模式是一個重要目標。Vierling是UMass Amherst應(yīng)用生命科學(xué)研究所的模型到醫(yī)學(xué)(M2M)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)組的成員，得到了美國國立衛(wèi)生研究院和馬薩諸塞州生命科學(xué)中心的支持。