图片说明：人类肾上腺皮质激素受体蛋白在4.5亿年的时间里发生结构变化，最终进化出了特定的功能。(图片来源：Eric Ortlund, University of North Carolina)
作者：任霄
美国科学家进行的一项最新研究，首次确定了一种重要人类蛋白——肾上腺皮质激素受体(glucocorticoid receptor，简称GR)的远古原子结构，并且揭示出它在4.5亿年历史中的进化细节。这项前所未有的研究有助于解开长期以来科学家在进化遗传学上的一些争论。相关论文8月16日在线发表于《科学》杂志。
论文高级作者、美国俄勒冈大学的Joseph Thornton表示，“我们从来没有看得如此清楚、如此远过。新的研究让我们从原子水平看清了进化塑造分子机器的精确机制，并推测出了这一历史进化事件的顺序过程。”
在最新的研究中，Thornton和博士后Jamie Bridgham利用强大的计算和分子技术，重建了GR蛋白的远古祖先。随后，他们与美国北卡罗莱纳大学的生物化学家Eric Ortlund和Matthew Redinbo一道，利用美国Argonne国家实验室先进光子源(Advanced Photon Source)的超高能X射线，绘制了远古蛋白当中2000个原子的精确位置图。在此基础上，研究人员追溯研究了过去4.5亿年里，该蛋白的原子架构是如何改变，从而进化出现今的特殊功能——让细胞能够响应皮质醇(cortisol)。
通过分析原子结构，研究人员发现，在几亿年的时间里，远古GR蛋白共发生了7次较大的变异。同时，科学家认为，GR蛋白要能够对皮质醇产生响应，在这几次主要变异之前，都必须发生一些相对较小甚至可以忽略的“自由变异”(permissive mutations)。在这种关联的基础上，研究人员最终推测出了GR蛋白所有基因变异的顺序。
研究结果表明，GR蛋白所发生的最根本的变异是使蛋白的某一区域整体发生了重新装配，从而使一部分原子接近皮质醇。而这一区域发生的另一个重要变异创建了原子与皮质醇的新的紧密的相互作用。值得注意的是，在这两个过程之前GR蛋白发生了许多“自由变异”，这从结构上支撑了GR蛋白的特定部分，使其能够承受最终的改变。
Thornton表示，这些自由变异完全是碰巧发生的事情，但如果不是它们首先发生，之后的较大变异就不会是一条通向GR蛋白新功能的进化之路。要是几亿年的过程重新来过，现在出现的很可能就是完全不同的基因序列和蛋白功能机制。
NSF项目主任Dianna Padilla评价说，“该研究成果是许多科学家的梦想，它解答了一个十分重要的问题，即适应性是通过较大的还是较小的变异发生的。新的研究结果说明，小的变异才能使较大的适应性发生并且得到改善。”(科学网任霄鹏/编译)
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