进化的蛋白质家庭显示生活适应氧气

康奈尔大学的科学家发明了一种进化模型连接生物生活在今天的富氧大气,数十亿年前,地球大气层时几乎没有氧气,通过分析核苷酸还原酶(RNRs),一个家庭的蛋白质所使用的所有独立生存的生物和许多病毒DNA修复和复制。

“通过了解这些蛋白质的进化,我们能理解自然在分子水平上适应环境变化。反过来,我们也了解我们的地球的过去,”说Nozomi安藤化学和化学生物学副教授,在艺术与科学学院,不过该研究的通讯作者。”全面的系统发育分析核苷酸还原酶家族的展现了一个祖先的进化枝”发表在eLife消化10月4日。

Co-first作者研究的奥黛丽Burnim Da徐,博士生在化学和化学生物学,和马修斯宾塞,研究化学学院,澳大利亚国立大学、堪培拉。科林·j·杰克逊,堪培拉澳大利亚国立大学的化学教授是通讯作者。

此举涉及一个大型数据集的6779 RNR序列;发展史把几个高性能计算机结合7个月(140万CPU时间)来计算。通过计算的发展,开辟了一种新的方式的方法来研究其他不同蛋白质进化或家庭医学意义。

RNRs已经适应了环境的变化在数十亿年节约他们的催化机理,因为他们的重要作用为所有基于dna的生命,安藤说。她的实验室研究蛋白变构效应——蛋白质是如何能够改变活动的环境。进化信息系统给了我们一个学习方法主要的蛋白质序列之间的关系和它的三维结构,动力学和功能。

RNRs被认为是古老的起源,因为它们催化的反应将RNA构建块转化为DNA构建块,安藤说,使它们适合找一个分子记录。

“这化学是需要从虚拟世界DNA / RNA蛋白质,我们现在生活在世界,”安藤说。RNRs使用“基于这些因素,它也是清楚,这种酶家族已经适应了地球的大气中氧气增加。这些转变都发生几十亿年前。”

当科学家们建立一个系统的蛋白质家族,他们计算出当前现有的序列被安藤说。在这个过程中,他们必须估计在过去发生了什么现在存在的序列。

研究人员计算RNR发展史通过收集的数据集100000多序列计算容易处理的数据集和组织到6779序列同时维持整个家庭的多样性,Burnim说。序列的长度范围从400到1100个氨基酸。使用模型的氨基酸变异,他们比较了序列互相分化时确定。

从这个工作中,研究者发现了一个新的不同的群RNRs解释两种不同的适应这种蛋白质家族内氧气在地球上出现。

他们用小角x射线散射康奈尔大学高能同步源,cryogenic-electron显微镜康奈尔大学材料研究中心和人工智能程序AlphaFold2研究从聚球藻属噬菌体S-CBP4 RNR,病毒感染藻青菌,徐说。

“当我们计算了RNR族谱,原来RNRs的一个分支,我们不知道的是一个独特的血统,”安藤说。“这个分支包括序列从海洋生物包括噬藻体。我们描述的一个序列表明,早期有一个适应的氧气。噬藻体连接是有趣的,因为它表明,宿主(蓝藻)大约在同一时间,和蓝细菌被认为补氧地球。”

研究结果支持这样的设想,即分子适应氧气发生更早比大规模的对地球的环境变化,根据地球化学记录日期,安藤说。

这第一个统一所有类的进化模型RNRs可以提供许多领域未来的发展方向,徐说。

安藤计划使用相同的方法来研究整体结构进化到相同的酶催化化学反应完全不同。

参考:马Burnim AA,斯宾塞,徐D,杰克逊CJ,安藤n .核苷酸还原酶家族的全面的系统发育分析揭示了一个祖先的进化枝。eLife。2022;11:e79790。doi:10.7554 / eLife.79790

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