作者：天羽

生物進(jìn)化不僅發(fā)生在物種水平，也發(fā)生在分子水平。蛋白質(zhì)是構(gòu)成生命所必需的最基本的大分子物質(zhì)，因此蛋白質(zhì)的進(jìn)化是生物進(jìn)化的基礎(chǔ)。事實(shí)上，不同蛋白質(zhì)分子的進(jìn)化速率是不同的。影響蛋白質(zhì)進(jìn)化的最主要因素是自然選擇，其中，除了一小部分的正選擇，絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)分子受到選擇性抑制。通俗地說，就是在自然選擇的作用機(jī)制下，其編碼基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯效率、表達(dá)水平和寬度以及和其它大分子的相互作用等均受到抑制。蛋白質(zhì)受到的選擇性抑制越強(qiáng)，其進(jìn)化速率越慢，也越趨于保守。
那么問題來了，為什么大部分蛋白質(zhì)分子受到選擇性抑制呢？我們首先想到的答案就是因?yàn)樗匾?。不難理清這個(gè)邏輯鏈條，因?yàn)槿绻粋€(gè)蛋白質(zhì)在生物體中有非常重要的作用，它的任何一點(diǎn)輕微改變都可能會(huì)造成對(duì)個(gè)體的傷害，因此自然選擇的作用就是在群體中維持它的穩(wěn)定，抑制它過快的進(jìn)化。聽起來很有道理，一個(gè)很有力的證據(jù)是表達(dá)量越高的蛋白編碼基因，其進(jìn)化也越趨于保守?；虮磉_(dá)量通常被認(rèn)為與蛋白的重要性相關(guān)。
不過，也有另外的學(xué)者提出了不同的觀點(diǎn)，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)那些非常重要的蛋白質(zhì)和一些也不是那么重要的蛋白質(zhì)之間的進(jìn)化速率差異并不是很大，所以他們認(rèn)為促使蛋白保守的原因是它們自身的脆弱性，禁不起太多的變異。也就是說當(dāng)某個(gè)蛋白質(zhì)分子積累了很多變異時(shí)，它的理化性質(zhì)就會(huì)隨著改變而使得它自身“散架”。
到底是什么原因抑制了蛋白質(zhì)的進(jìn)化呢？這個(gè)問題看似枯燥，但卻是進(jìn)化生物學(xué)中一個(gè)非常重要的問題。要對(duì)蛋白質(zhì)的脆弱性和重要性進(jìn)行比較，首先要找到合適的定量數(shù)據(jù)來代表這兩個(gè)顯得非常抽象的概念?？茖W(xué)家們找到了兩個(gè)非常好的東西，一個(gè)叫無義突變（nonsense mutation），另一個(gè)叫錯(cuò)義突變（missense mutation）。這兩種突變分別都是蛋白編碼基因的突變類型之一，其中無義突變是指編碼某個(gè)氨基酸的密碼子變異以后形成了終止密碼子或其它結(jié)構(gòu)，造成蛋白質(zhì)的合成中斷。無義突變之后的蛋白質(zhì)雖然還在，但基本丟失了功能，也就是說重要性不復(fù)存在了，因此可以作為衡量蛋白質(zhì)重要性的標(biāo)準(zhǔn)。而錯(cuò)義突變是指密碼子突變以后形成了新的氨基酸，這種突變通常會(huì)使得蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)發(fā)生變化，因此可以作為衡量蛋白質(zhì)脆弱性的標(biāo)準(zhǔn)。
科學(xué)家們用這兩個(gè)突變的概念來研究蛋白質(zhì)保守的驅(qū)動(dòng)力。要了解這個(gè)過程，我們還要了解兩個(gè)概念：第一個(gè)叫做選擇系數(shù)（s），是用來衡量蛋白編碼基因受到自然選擇程度的，s越大說明受選擇性抑制越強(qiáng)；第二個(gè)叫做非同義替代率（Ka），是用來衡量蛋白質(zhì)保守程度的，Ka越小，蛋白越趨于保守。此外，選擇合適的研究物種也是非常重要的，果蠅由于長(zhǎng)期作為模式生物，已經(jīng)積累了完備的數(shù)據(jù)，因此非常適合于這個(gè)研究的開展。
科學(xué)家分析了162個(gè)果蠅家系的13182個(gè)蛋白編碼基因的進(jìn)化，結(jié)果一共發(fā)現(xiàn)了1548個(gè)無義突變和181192個(gè)錯(cuò)義突變。并未出乎意料的是，無義突變的選擇系數(shù)要遠(yuǎn)大于錯(cuò)義突變，也就是說丟失功能比改變結(jié)構(gòu)對(duì)個(gè)體本身的危害更大。但是，當(dāng)與非同義替代率相比較，卻發(fā)現(xiàn)Ka與錯(cuò)義突變的選擇系數(shù)密切相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到Ka與無義突變的3倍。進(jìn)一步檢查了這兩種突變與一些功能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)義突變所受的選擇壓力與無論基因表達(dá)水平、基因表達(dá)特異性還是蛋白質(zhì)相互作用程度都呈現(xiàn)更強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。

圖1. 兩種突變的選擇系數(shù)對(duì)比

圖2. 選擇系數(shù)與Ka的相關(guān)性

這個(gè)研究表明，蛋白質(zhì)在進(jìn)化上保守的原因主要是由于其本身的脆弱性，而不是保守蛋白在生物網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要功能，它的進(jìn)化牽一發(fā)而動(dòng)全局。確實(shí)，自然界的運(yùn)行機(jī)制，有時(shí)候確實(shí)和我們想象的不大一樣。

延伸閱讀
1. Rose. 2001. Adaptation. In Encyclopedia of Biodiversity. Edited by Levin RA. San Diego Academic Press: 17-23.
2. Assis and Kondrashov. 2014. Conserved Proteins are fragile. Mol Biol Evol 31(2): 419-424.

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