重构解毒酶的进化史

发布时间：2023-02-28 18:31:57 栏目：生活

导读 我们的身体会产生大量分解有毒物质的酶。一类这样的酶是含黄素的单加氧酶(FMO)，它存在于所有四足动物中。人类有五种不同的FMO基因，其中前

我们的身体会产生大量分解有毒物质的酶。一类这样的酶是含黄素的单加氧酶(FMO)，它存在于所有四足动物中。人类有五种不同的FMO基因，其中前四种表现出相同的活性。



然而，第五个FMO基因触发了不同的分解反应。格罗宁根大学的生物化学家成功地复活了所有四足动物FMO的祖先基因，以显示这种分歧是如何发生的。他们的研究结果发表在24月<>日的《自然通讯》上。

FMO存在于所有生命形式中，从细菌到植物和动物。在人类中，FMO可以分解多种有毒物质。在人类以及所有四足动物(四肢脊椎动物)中存在的五个FMO基因中，有四个负责氧化有毒分子中的特定基团(杂原子)，使它们无害。然而，FMO5引起非常不同的化学反应，在酮或醛化合物中的两个碳原子之间插入一个氧原子。

进化树

“我们的问题是为什么这个FMO基因会产生一种具有不同活性的酶，”专门重建蛋白质进化历史的Laura Mascotti说。Mascotti是格罗宁根大学研究小组的博士后，由酶工程教授Marco Fraaije领导，也是Nature Communications论文的最终作者。

基因复制是相当普遍的，进化理论允许同一基因的不同拷贝分化。“我们想知道FMO5是否进化出一种新的反应机制，或者祖先基因是否可以触发这两种反应，而其他FMO后来失去了两者之一。

除了好奇心 - Fraaije小组之前重建了来自哺乳动物的五分之四的祖先FMO的结构 - 这项工作可以帮助修改酶的作用或设计由它激活的药物。Mascotti说：“对于我们之前的论文，我们汇编了所有生物体中的FMO酶序列，然后我们用它来构建进化树。

这表明哺乳动物FMO1至4密切相关，而FMO5略有不同。“由于所有四足动物都有这五个基因，我们大致知道祖先基因何时分化为这两个版本。

复活的酶

她计算了共同祖先酶最可能的氨基酸序列，以及FMO 1-4和FMO5的祖先基因。“我们通过推断蛋白质每个位置最可能的氨基酸来做到这一点，”Mascotti解释说。“结果很可能不是精确的原始序列，但它仍然可以以很高的概率重现酶的活性。

一旦这项工作完成，下一步就是复活祖先的酶。“为此，我们对产生祖先酶的基因进行了排序，并在大肠杆菌中表达它们。这产生了酶，然后我们可以确定它们的活性。

复活的酶产生了预期和意想不到的结果：“两种酶类型的祖先表现出与现在大致相同的活性。然而，所有五种FMO的祖先酶可以催化这两种反应，“Mascotti说。

该酶可以氧化杂原子，酮和醛。这表明，今天的基因只是失去了这些功能之一。此外，研究人员证明，酶结构中仅三个氨基酸的变化解释了这种活性差异。

“这意味着这些酶的历史相当简单，”Mascotti总结道。“我们相信祖先基因可以做任何事情。然后复制该基因，这意味着多余的拷贝可以更自由地进化，从而产生两种功能的不同酶。

有趣的是，这发生在四足动物从海洋转移到陆地的时候。“植物会产生大量的有毒代谢物，因此动物具有选择性优势，可以有效地分解这些毒素。

药物

研究人员还发现，酶使用的辅因子对于它们触发的反应类型很重要。“不属于活性位点但与辅因子相互作用的氨基酸似乎至关重要。通常，辅因子只是电子供体，但在这种情况下，它们决定了活动的类型，这是非常独特的。

这种关于酶结构和功能之间关系的知识对于操纵解毒酶或设计减少药物分解的抑制剂非常重要。

Mascotti说：“我们已经满足了对这些酶历史的好奇心，并发现了对它们功能方式的新见解。此外，我们只能通过与酶学、进化和蛋白质结构方面的专家在一个非常多样化的团队中合作来做到这一点。