进化的“时间旅行”揭示了酶的起源，从地球上最古老的生物之一

“过去、现在和未来之间的区别只是一个顽固存在的错觉，”阿尔伯特·爱因斯坦写道。也许这一点在蛋白质进化中最为明显，同一种酶的过去和现在的版本在今天的不同物种中存在，这对未来的酶设计具有启示意义。现在，研究人员利用进化“时间旅行”来了解酶是如何随着时间进化的，从地球上最古老的生物之一到现代人类。

研究人员将于今天在美国化学学会秋季会议上公布他们的研究结果。ACS秋季2021是一个混合会议，将在8月22日至26日举行虚拟会议和现场会议，按需内容将在8月30日至9月30日提供。这次会议有7000多个关于广泛的科学主题的报告。

“如果一个人生活在今天的罗马，他们可能想要了解古罗马，以便更好地了解他们是谁，”该项目的首席研究员马格努斯·沃尔夫-瓦茨博士说。“同样，我们可以回顾更古老的酶形式，以了解蛋白质今天是如何工作的，以及我们在未来可能如何设计新的版本。”

瑞典Umeå大学的沃尔夫-瓦茨回顾了大约20到30亿年前被称为古菌的原始生物。这些今天仍然存在的单细胞生命形式，具有原核生物(细菌，没有细胞核)和真核生物(生物，如植物、动物和真菌的细胞中有细胞核)的特征。古细菌的一个分支被称为阿斯加德门(Asgard门)，于2015年被发现，它包含了与真核细胞最接近的已知祖先。阿斯加德古菌有四种类型，包括在大西洋深海热液喷口发现的奥丁古菌。

奥丁古菌有一种叫做腺苷酸激酶(AK)的酶，这种酶也存在于原核生物和真核生物中。Wolf-Watz之前研究了两种人类的这种酶，AK1和AK3。两者在维持细胞能量平衡方面都很重要，但AK1位于细胞质中，在那里它将一个磷酸基从三磷酸腺苷(ATP，细胞中主要的能量载体)转移到一磷酸腺苷(AMP)。相比之下，AK3位于线粒体内，它将一个磷酸基从鸟苷三磷酸(GTP，一种类似于ATP但有不同作用的分子)转移到AMP。

Wolf-Watz的团队使用x射线结晶和核磁共振波谱研究AK1和AK3的结构，发现尽管这两种酶非常相似，但它们在一个短环区域有细微的差别，这导致AK1更喜欢ATP, AK3更喜欢GTP。沃尔夫-沃茨说:“现在我们可以提取任何AK酶，观察这个环的结构，并预测它是使用ATP还是GTP。”下一步是研究一种更古老的AK酶——来自奥丁古菌——以了解AK1和AK3是如何进化到偏好不同的核苷酸底物的。

研究人员纯化了AK古菌并确定了其结构。他们发现，在古菌酶中，识别ATP和GTP的重要环路要长得多，而且它有可以结合任一核苷酸的化学基团。沃尔夫-沃茨说:“我们发现，人类ak的早期祖先具有两种能力——它可以同时使用ATP和GTP。”“在进化过程中，它变得专门化，对其中一个或另一个变得专门化，这取决于它所在的细胞隔间。”古菌AK实际上可以使用所有自然发生的核苷酸三磷酸(NTPs)。沃尔夫-沃茨说:“我们发现了一种通用的NTP结合基序，它可能成为未来新型酶设计的基石。”

古菌AK含有酶的三个副本(称为三聚体)，它们通过螺旋结构相互结合。在人类ak中，这一区域的突变会使酶的复制体不能相互粘附。而人类的酶，其功能是独立的，活性要高出近1000倍。Wolf-Watz说，三聚体在极端的热液喷口环境中可能更稳定，但人类酶可能会用这种热稳定性换取更高的活性，这在较冷的环境中很重要。

接下来，研究人员想要设计一种新的酶，这种酶可以用于有机合成或药物开发。他们还想研究来自奥丁古生菌的其他酶，并研究它们在千万年中可能是如何进化的。“我们研究了一种酶，并有了这个惊人的发现，”沃尔夫-瓦茨说。“当然，还有更多的东西要找。这就像我们在挖一个宝箱。”

25日上午9点，将发布有关该问题的媒体简报。东部时间www.acs.org/acsfall2021briefings．

研究人员感谢瑞典研究委员会、肯普基金会和卡尔·特里格基金会的支持和资助。

标题

酶特异性和动力学的进化起源

摘要

“时间旅行”是一个具有重大潜力的概念，以解码之前未知的蛋白质功能方面。通过进化分析可以进行考古学的“回溯”，通过定向进化和酶设计可以窥见未来。在这里，我将介绍我们的进化方法，以酶腺苷酸激酶(AK)为中心，从生物从所有的三个王国;细菌，古菌和真核生物。对于古菌生物，我们选择了Odinarchaeota，它是最近发现的阿斯加德古菌家族的成员，被认为是现代真核生物最接近的进化祖先。通过对这三个结构域AK的结构和功能的比较分析，我们发现了酶催化的新原理。我将特别提出核苷三磷酸(NTP)特异性的进化起源，以及大规模构象动力学的进化起源的发现。通过综合结构生物学方法，我们利用最先进的定量19F核磁共振波谱(弛豫分散)来测定大(69 kDa)组装构象动力学的微观速率常数。俄罗斯比利时赔率