據外媒報道，伊利諾伊大學的 Gustavo Caetano-Anollés 和 Fayez Aziz 的研究揭示了稱為結構域（domain）的蛋白質亞基進化過程中的“大爆炸”。研究人員在《科學報告》上發表的一項新研究，描繪了38億年來蛋白質結構域（蛋白質分子的子單元）的進化歷史和相互關係。他們的結果可能對疫苗開發和疾病管理產生影響。
自從COVID-19大流行開始以來，蛋白質已經悄悄地“接管”了人們的生活。人們一直生活在該病毒所謂的“刺突糖蛋白”的支配下，它已經變異了幾十次，產生了越來越致命的變種。但事實是，我們一直都被蛋白質所“統治”。在細胞層面，它們負責幾乎所有的事情。
蛋白質是如此基本，以至於DNA–使我們每個人都獨一無二的遺傳物質–本質上只是一長串的蛋白質藍圖。這對動物、植物、真菌、細菌、古細菌，甚至病毒都是如此。正如這些生物群體隨着時間的推移而進化和變化一樣，蛋白質及其組成部分也是如此。
“了解結構域在進化過程中如何以及為何在蛋白質中結合，可以幫助科學家了解和設計蛋白質的活性，用於醫學和生物工程的應用。例如，這些見解可以指導疾病管理，例如用COVID-19病毒的刺突糖蛋白製作更好的疫苗，”伊利諾伊大學卡爾-R-沃斯基因組生物學研究所作物科學系教授、該論文的資深作者Gustavo Caetano-Anollés說。
Caetano-Anollés研究了自大流行病早期階段以來COVID突變的演變，但這一時間線只代表了他和博士生Fayez Aziz在當前研究中所承擔的一小部分。
研究人員彙編了所有分類組（包括高等生物和微生物）數百個基因組中編碼的數百萬條蛋白質序列的序列和結構。他們關注的不是整個蛋白質，而是結構域。“大多數蛋白質是由一個以上的結構域組成的。這些是緊湊的結構單元，或模塊，承載着專門的功能，”Caetano-Anollés說。“更重要的是，它們是進化的單位。”
在將蛋白質分類為結構域以建立進化樹之後，他們着手建立一個網絡，以了解結構域如何在數十億年的進化過程中發展並在蛋白質中共享。
“我們建立了一個時間序列的網絡，描述了結構域是如何積累的，以及蛋白質是如何通過進化重新排列其結構域的。”Fayez Aziz說：“這是第一次將這樣的’結構域’網絡作為進化年表來研究。我們的調查顯示，有一個龐大的演化網絡，描述了蛋白質中的結構域如何相互結合。”
該網絡的每一個鏈接都代表了一個特定的結構域被招募到一個蛋白質中的時刻，通常是為了執行一個新的功能。
Fayez Aziz說：“僅這一事實就強烈地表明結構域的招募是自然界的一種強大力量。年表還揭示了哪些結構域貢獻了重要的蛋白質功能。例如，研究人員能夠追蹤負責環境感知以及次級代謝物或用於細菌和植物防禦的毒素的結構域的起源。”
分析顯示，在蛋白質進化的早期，結構域開始結合，但也有網絡爆炸性增長的時期。例如，研究人員描述了15億年前領域組合的 “大爆炸”，與多細胞生物和真核生物（包括人類在內的具有膜結合核的生物）的崛起相吻合。
Caetano-Anollés團隊之前報道了新陳代謝的大規模和早期起源，他們最近在追蹤新陳代謝網絡的歷史時再次發現了這一點。描述蛋白質進化拼湊的“大爆炸”的歷史記錄為理解蛋白質構成提供了新的工具。
“這可能有助於確定，例如，為什麼結構變異和基因組重組在SARS-CoV-2中經常發生，”Caetano-Anollés說。
他補充說，這種理解蛋白質的新方法可以通過剖析病毒疾病的起源來幫助預防大流行病。它還可以在疾病爆發時通過改進疫苗設計來幫助緩解疾病。