布法羅大學(xué)牙科和進(jìn)化生物學(xué)家之間不太可能的合作發(fā)現(xiàn)了一種解釋基因如何獲得新功能的新機(jī)制。
由進(jìn)化人類學(xué)家OmerGokcumen博士和口腔生物學(xué)家StefanRuhl博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊結(jié)合使用生物信息學(xué)、系統(tǒng)發(fā)育學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和組織學(xué)，比較了在粘液中發(fā)現(xiàn)的一類含糖蛋白質(zhì)的基因組差異，稱為粘蛋白。他們在49個哺乳動物物種中發(fā)現(xiàn)了15個實(shí)例，其中粘蛋白通過在其基因(外顯子)的蛋白質(zhì)編碼區(qū)域中引入重復(fù)序列而進(jìn)化，從而誘導(dǎo)蛋白質(zhì)產(chǎn)物在合成時通過稱為O-糖基化的過程獲得密集的突出糖分子刷.
【資料圖】
布法羅大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院生物科學(xué)副教授Gokcumen說：“我認(rèn)為以前并不知道蛋白質(zhì)功能可以這樣進(jìn)化，從蛋白質(zhì)獲得重復(fù)序列。不是粘蛋白的蛋白質(zhì)僅通過獲得重復(fù)就變成粘蛋白。這是進(jìn)化產(chǎn)生粘液的重要方式。這是一個進(jìn)化的把戲，我們現(xiàn)在一次又一次地記錄這種情況?！?/p>
粘蛋白趨同進(jìn)化的新加性機(jī)制的詳細(xì)信息發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上(“基因進(jìn)化產(chǎn)生粘蛋白功能的機(jī)制”)?；谒麄兊陌l(fā)現(xiàn)，作者提出外顯子重復(fù)及其數(shù)量的變化導(dǎo)致基因獲得新功能。作者說，就粘蛋白而言，重復(fù)序列是蛋白質(zhì)粘稠特性的關(guān)鍵。結(jié)果表明，具有豐富脯氨酸殘基的上皮細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)是粘蛋白的天然前體。作者認(rèn)為他們的發(fā)現(xiàn)可能特別有助于理解糖連接(糖基化)蛋白的功能進(jìn)化。
Ruhl是布法羅大學(xué)牙科醫(yī)學(xué)院的口腔生物學(xué)教授和臨時院長，三十年來一直在研究唾液中的粘蛋白，主要關(guān)注它們通過平衡口腔微生物群來保護(hù)蛀牙的能力。
“我們在粘蛋白中看到的重復(fù)序列被稱為‘PTS重復(fù)序列’，因?yàn)樗鼈兒懈吆康陌被岣彼?、蘇氨酸和絲氨酸。它們幫助粘蛋白發(fā)揮其重要的生物學(xué)功能，從潤滑和保護(hù)組織表面到幫助我們的食物變滑以便我們吞咽，”Ruhl說?！坝幸嫖⑸镆呀?jīng)進(jìn)化為生活在粘液涂層表面，而粘液同時也可以作為保護(hù)屏障，通過保護(hù)我們免受不需要的病原體入侵者來抵御疾病?！?/p>
在研究唾液時，研究人員注意到MUC7(人類的一種小唾液粘蛋白??)在小鼠中缺失，該物種表達(dá)MUC10，另一種大小相當(dāng)?shù)恼车鞍住Ｔ谡{(diào)查它們的起源時，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，盡管人類MUC7在進(jìn)化上與小鼠MUC10無關(guān)，但人類眼淚中的一種非粘蛋白PROL1與MUC10共享結(jié)構(gòu)域，但不包括粘蛋白特有的密集糖刷-涂層重復(fù)。
“我們認(rèn)為這種撕裂基因最終以某種方式被重新利用，”Gokcumen說?！八@得了賦予它粘蛋白功能的重復(fù)序列，現(xiàn)在它在小鼠和大鼠的唾液中大量表達(dá)?！?/p>
這促使團(tuán)隊調(diào)查其他粘蛋白的起源，以探究MUC10的“粘蛋白化”是否代表了一種共同的進(jìn)化范式。他們發(fā)現(xiàn)了15個相同現(xiàn)象的實(shí)例，這些實(shí)例支持他們的假設(shè)，即非粘蛋白通過包含PTS重復(fù)序列轉(zhuǎn)化為粘蛋白。Gokcumen說，考慮到這項(xiàng)研究只關(guān)注幾十種哺乳動物基因組的一個區(qū)域，他們的結(jié)論“相當(dāng)保守”。他很好奇地研究了蛞蝓、粘液鰻和其他物種中的粘蛋白是否通過相同的機(jī)制產(chǎn)生。
該研究的第一作者、Gokcumen實(shí)驗(yàn)室的研究生PetarPajic說，他們的發(fā)現(xiàn)增加了試圖解釋基因功能如何進(jìn)化并可能產(chǎn)生更廣泛影響的工作主體。
“這可能具有更廣泛的意義，無論是在理解適應(yīng)性進(jìn)化方面，還是在可能解釋某些致病變異方面，”Pajic補(bǔ)充道?！叭绻@些粘蛋白在不同時間不斷從不同物種的非粘蛋白進(jìn)化而來，這表明存在一些使其有益的適應(yīng)性壓力。另一方面，如果這種機(jī)制‘偏離正軌’——發(fā)生得太多，或者發(fā)生在錯誤的組織中——可能會導(dǎo)致某些癌癥或粘膜疾病等疾病?！?/p>
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