进化的时间之旅揭示了酶的起源，来自地球上最古老的生物之一
来自奥丁古菌的一种古老酶的三聚体结构，底物分子以绿色显示。来源：马格努斯沃尔夫瓦茨
“过去、现在和未来之间的区别只是一种顽固的幻觉，”阿尔伯特·爱因斯坦写道。也许这在蛋白质进化中最为明显，其中相同酶的过去和现在版本存在于今天的不同物种中，这对未来的酶设计具有影响。现在，研究人员已经利用进化的“时间旅行”来了解一种酶是如何随着时间的推移而进化的，从地球上最古老的生物之一到现代人类。
研究人员今天将在美国化学学会 (ACS) 的秋季会议上展示他们的研究结果。ACS 2021 年秋季会议是一场混合会议，将于 8 月 22 日至 26 日以虚拟方式和面对面的方式举行，点播内容将于 8 月 30 日至 9 月 30 日提供。会议上有 7,000 多个关于广泛科学主题的演讲。
“如果一个人住在今天的罗马，他们可能想了解古罗马，以更好地了解他们是谁，”该项目的首席研究员 Magnus Wolf-Watz 博士说。“以同样的方式，我们可以及时回顾更古老的酶形式，以了解这些蛋白质今天是如何工作的，以及我们将来如何设计新版本。”
瑞典于默奥大学的 Wolf-Watz 回顾了大约 2 到 30 亿年前被称为古细菌的原始生物。这些今天仍然存在的单细胞生命形式具有原核生物（没有细胞核的细菌）和真核生物（在其细胞中具有核的植物、动物和真菌等生物体）的特征。2015 年发现的古细菌分支，称为 Asgard 门，包括已知最接近真核细胞的祖先。已经确定了四种类型的 Asgard 古生菌，包括在大西洋深处的热液喷口中发现的 Odin 古生菌。
奥丁古菌有一种叫做腺苷酸激酶 (AK) 的酶，这种酶也存在于原核生物和真核生物中。Wolf-Watz 之前研究了两种人类类型的这种酶，AK1 和 AK3。两者对于维持细胞中的能量平衡都很重要，但 AK1 位于细胞质中，在那里它将一个磷酸基团从三磷酸腺苷（ATP，细胞中的主要能量载体）转移到一磷酸腺苷 (AMP)。相比之下，AK3 位于线粒体内，在那里它将一个磷酸基团从三磷酸鸟苷（GTP，一种类似于 ATP 但具有不同作用的分子）转移到 AMP。
Wolf-Watz 的团队利用 X 射线结晶和核磁共振光谱研究 AK1 和 AK3 的结构，发现虽然酶非常相似，但它们在导致 AK1 更喜欢 ATP 和 AK3 的短环区域存在细微差别更喜欢GTP。“现在我们可以采用任何 AK 酶，查看该环的结构，并预测它是否会使用 ATP 或 GTP，”Wolf-Watz 说。下一步是检查一种更古老的 AK 酶——来自奥丁古菌——以了解 AK1 和 AK3 如何进化为偏好不同的核苷酸底物。
研究人员纯化了古细菌 AK 并确定了它的结构。他们发现古细菌酶中对区分 ATP 和 GTP 很重要的环要长得多，并且它具有可以结合任一核苷酸的化学基团。“我们发现的是人类 AK 的早期祖先，它包含两种能力——它可以同时使用 ATP 和 GTP，”Wolf-Watz 说。“在进化过程中，它变得专门针对其中一个或另一个，这取决于它所在的细胞隔间。” 古细菌 AK 实际上可以使用所有天然存在的三磷酸核苷酸 (NTPs)。“我们发现了一种通用的 NTP 结合基序，它可能成为未来新型酶设计的基石，”Wolf-Watz 说。
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古细菌 AK 包含三个拷贝的酶（称为三聚体），它们通过螺旋结构相互结合。在人类 AK 中，该区域的突变使酶拷贝无法相互粘附。独立运作的人类酶的活性几乎提高了 1,000 倍。Wolf-Watz 说，三聚体在热液喷口的极端环境中可能更稳定，但人类酶可能已经将这种热稳定性换成了更高的活性，这在较冷的环境中很重要。
接下来，研究人员希望设计出可用于有机合成或药物开发的新型酶。他们还想检查来自奥丁古菌的其他酶，并研究它们可能是如何进化的。“我们研究了一种酶并做出了这个奇妙的发现，”Wolf-Watz 说。“当然，还有更多的东西要找。这就像我们在挖掘一个宝箱。”
8 月 25 日星期三东部时间上午 9 点将在www.acs.org/acsfall2021briefings上发布有关该主题的媒体简报录音。
研究人员感谢瑞典研究委员会、Kempe 基金会和 Carl Trygger 基金会的支持和资助。
标题
酶特异性和动力学的进化起源
抽象的
“时间旅行”是一个具有解码蛋白质功能以前未知方面的巨大潜力的概念。通过进化分析可以进行考古“回溯”，而通过定向进化和酶设计可以获得对未来的一瞥。在这里，我将介绍我们的进化方法，该方法以从所有三个生命王国的生物体中分离出来的酶腺苷酸激酶 (AK) 为中心；细菌、古细菌和真核生物。对于古细菌，我们选择了 Odinarchaeota，它是最近发现的 Asgard 古细菌家族的成员，被认为是与现代真核生物最近的进化祖先。来自这三个领域的 AK 之间的比较结构和功能分析使我们能够发现酶催化的新原理。我将特别介绍三磷酸核苷（NTP）特异性的进化起源的发现，以及大规模构象动力学的进化起源。通过综合结构生物学方法，我们利用最先进的定量 19F NMR 光谱（弛豫分散体）来确定大型 (69 kDa) 组件构象动力学的微观速率常数，从而使这些发现成为可能。