Nature：科学家揭秘4亿多年间代谢在塑造酶类结构演变中扮演的关键角色

来源：100医药网 2025-07-14 10:10

本文研究中，研究人员通过整合结构生物学和进化基因组学的方法揭示了代谢特性如何在4亿年的进化过程中塑造酶的结构演变。

近年来，随着深度学习技术的飞速发展，尤其是AlphaFold2等工具的出现，科学家们能够大规模预测蛋白质结构，这就为研究蛋白质的功能和进化开辟了新的途径。作为生物体内各种生化反应的催化剂，蛋白质的结构的稳定性与多样性一直都是进化生物学中的重要课题。

近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为 The role of metabolism in shaping enzyme structures over 400 million years 的研究报告中，来自德国柏林夏里特医学院等机构的科学家们通过分析酵母亚门（Saccharomycotina）中11269种酶的结构，揭示了代谢特性如何在4亿年的进化过程中塑造酶的结构演变。

蛋白质的结构和功能紧密相关，而代谢网络作为生物体内最大的生化反应系统，其结构和功能的演变对生物的适应性至关重要，尽管代谢网络的进化一直是研究热点，但目前对于代谢特性如何影响酶的结构演变仍知之甚少。这项研究中，研究人员旨在通过整合结构生物学和进化基因组学的方法来揭示代谢特性对酶结构演变的影响。

研究人员选择了26种高度进化的酵母物种，这些物种涵盖了4亿年的进化历程，通过对这些物种的酶结构进行分析，研究人员试图回答代谢特性如何影响酶的结构演变？这种影响在不同物种、代谢途径和分子水平上是否存在差异？等问题。

实验中，研究人员利用AlphaFold2预测了11269种酶的结构，并结合实验确定的结构数据来分析这些酶在361种代谢反应中的作用。研究结果发现，代谢特性在多个层面上能塑造酶的结构演变，比如，参与中心碳代谢和电子传递链的酶结构相对保守，而参与脂质代谢和蛋白质糖基化的酶则表现出更高的多样性。此外，酶的进化还受到反应机制、金属离子相互作用、代谢通量变异性和生物合成成本的限制。

结构保守区域的分化对应于在物种、途径和分子水平上的代谢特性

研究者指出，酶的进化并非完全随机，而是受到代谢网络结构和功能的强烈影响。比如，参与中心代谢途径的酶，如糖酵解和三羧酸循环中的酶，其结构相对保守，这可能与其在细胞能量代谢中的关键作用有关。相反，参与外围代谢途径的酶，如脂质代谢和蛋白质糖基化的酶，其结构则表现出更高的多样性，这种多样性可能与这些酶在不同环境条件下的适应性有关。

研究者还发现，酶的进化受到代谢通量变异性和生物合成成本的影响，低丰度的酶比高丰度的酶表现出更高的多样性，这可能与其在细胞中的代谢通量较低有关，而且，酶的进化受到生物合成成本的限制，尤其是表面残基的进化速率最快，而小分子结合位点的进化则受到选择性约束且未进行成本优化。

综上，本文研究中，研究人员通过整合结构生物学和进化基因组学的方法揭示了代谢特性如何在4亿年的进化过程中塑造酶的结构演变。研究结果表明，代谢特性在多个层面上影响酶的结构演变，从物种水平的代谢特化到代谢网络的组织再到酶的分子特性，这些发现不仅为理解酶的进化提供了新的视角，也为代谢网络工程和酶的注释提供了新的策略。（100yiyao.com）

参考文献：

Lemke, O., Heineike, B.M., Viknander, S.et al..Nature (2025). doi：10.1038/s41586-025-09205-6

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