科学家以“分子时间旅行”再现古老进化过程

　　“分子机器”是多种特殊蛋白质组成的复合体，这些蛋白质能共同协作执行某个生物功能。大部分活细胞要发挥功能，必须通过“分子机器”来实现。长期以来，进化的脚步如何一点点地造就出这些复杂的结构还是个谜。

　　最近，美国芝加哥大学和俄勒冈大学科学家利用生化技术复活了一些古老的基因，在现代生物体上测试了它们的功能，并得出了令人惊讶的结论：分子机器中出现的一个新组件，是为了弥补功能上的选择性损失，而不是突然出现了新能力。该论文发表在近日的《自然》杂志网站上。

　　追溯古老基因变异

　　芝加哥大学人类遗传、进化与生态学教授乔·桑顿的实验室和俄勒冈大学化学教授、分子生物学研究院的汤姆·斯蒂芬研究小组合作，集中研究了一种叫做V-ATPase质子泵的分子机器，这种质子泵能帮助细胞保持其内部合适的酸性。他们用这种分子机器演示了8亿年前一些具有很高变异可能性的微小变异是怎样增加了分子机器的复杂性。

　　“我们的策略是通过‘分子时间旅行’重建蛋白质，并在分子机器变得复杂的前后，检验其中所有蛋白质的特征属性。”论文高级作者乔·桑顿说，“按照过去的样子重建分子机器的各个部件，我们能精确获知每个蛋白的功能是怎样随着时间而变化的，并发现那些奇特的，导致机器变得更复杂的基因变异。”

　　这种质子泵的一个主要部件是一个环，能运输氢离子通过细胞膜。在大部分物种中，环状体是由两种不同蛋白的6个副本构成，但在真菌中，环状体中还包含有第三种蛋白。为了研究这第三种蛋白是怎样增加到环状体中的，桑顿和同事“重建”了古时候的环状体，包括第三种蛋白出现之前和出现之后的样子。

　　他们将多台计算机组合起来，共同分析了139个现代环状体蛋白的基因序列，逆向追溯进化的踪迹，沿着生命之树以发现最可能的古老序列。然后通过生化方法合成那些古代基因，在现代酵母菌上将其表达出来。这也是首次将这种单个基因的“分子时间旅行法”，应用到分子机器中的所有蛋白质部件中。

　　他们发现，较老的环只有两种蛋白质，当其中一个蛋白的基因正在被复制时，其后代基因偏离了自身的进化路径，这是环状体中第三种蛋白质的起源。去除环状体中任一个或者两个子代环蛋白基因，都会导致现代酵母菌无法生长，让其表达复制前的祖先基因后则能挽救；与此相比，复苏复制后的两个子代基因中的任一个，都只能弥补一个环蛋白基因的损失。这表明，复制前的祖先基因比它两个子代中的任一个拥有更多功能。