《自然》：科学家揭示血红蛋白的进化起源，复杂功能竟然只需要几个简单突变

原创 奇点糕 奇点网

进化是一个漫长的过程。

从混沌的原始海洋到第一个细胞，从水生到陆生，从蒙昧到智慧……在我们的认知里，进化就是无数个踏出的一小步组成的通途。

但是出乎意料的是，复杂的生物功能其实并不需要复杂的进化过程，几个小小的突变可能就是我们今天赖以生存的关键。

近期，芝加哥大学的科研团队在《自然》杂志发文，揭示了血红蛋白的进化起源，出乎意料的是，实现血红蛋白递送氧气的关键功能的多聚结构的出现，竟然只在于几个氨基酸的替换！[1]

这意味着我们一直以来对进化的认知是片面的，生物功能并不只有通过漫长的自然选择优化，更可能突然“闪亮登场”。

图源 | pixabay

今天要聊到的是一种蛋白质常见的存在形态，多聚体。

蛋白可以通过氨基酸之间的作用彼此连接，形成多聚体。连接面和活性位点的结构使得多聚体具有比蛋白单体更灵活的功能，包括变构效应和协同效应。

在传统的认知里，形成多聚体这样精巧的结构需要复杂的进化过程，一般认为其间经历了多个氨基酸的替换和漫长的选择，最终才得到形成多聚体的能力。

这种观点是否正确？如果能够把某种多聚体的进化过程一步一步列出来，那么一看便有分晓了。

在这个研究领域，血红蛋白（Hb）可以说是一种很好的研究对象。因为血红蛋白无论结构、功能、组成多聚体的机制、变构调节等等特征几乎都清清楚楚，而且血红蛋白的亚基们来自共同的祖先，在一次分析中就可以覆盖，可谓非常便捷。

在这里我们先来了解一下血红蛋白长什么样子。

在大多数脊椎动物中，血红蛋白分子是由四个亚基组成的异四聚体，这四个亚基两两一类，我们把它们分别叫做α亚基和β亚基。这两种亚基在进化上是有共同起源的。

目前科学家普遍认为，血红蛋白和肌红蛋白在很久很久之前是一家——这个时候血红蛋白的老祖宗还是保持着单体形态的，那么它是怎么逐步进化成今天的异四聚体形态的呢？

从研究者们推断的进化树中可以看出，从老祖宗AncMH到现代α、β亚基的祖先Ancα和Ancβ，中间还有一个完全未知的角色，Ancα/β，看来它就是我们要解析的“失落的环节”了。

血红蛋白的进化树

研究者们用推断的氨基酸序列重建了这几种蛋白。首先，Ancα和Ancβ两两组成四聚体的解离常数（Kd）是10μM，和现代人类血红蛋白的解离常数（15μM）基本一致，而且Ancβ可以自己组成同四聚体，这也和现代的β亚基性质一样。

不过Ancα/β就有些不同了，它可以组成二聚体，解离常数9μM，但是不能够组成四聚体。

在Ancα/β之后，肯定还有一些变化，才使得血红蛋白成为四聚体的模样。

另一方面，Ancα/β的功能也能说明这个问题。

我们知道，血红蛋白之所以能够担起氧交换的重任，正是因为它恰到好处的携氧能力。血红蛋白在肺或鳃中携带氧气，又在外周释放氧气，是因为血红蛋白的氧结合能力要比肌红蛋白低，而且血红蛋白的变构效应会进一步降低这种亲和力。

类似的，Ancα+Ancβ也具有与人类重组血红蛋白类似的携氧能力，且可以被效应分子六磷酸肌醇（IHP）调节，不过调节效果要弱一些。

但是，Ancα/β的氧亲和力要比Ancα+Ancβ更强，也不受IHP调节。

可见，Ancα/β的同二聚体在功能上也不能比肩血红蛋白。

那么我们继续看Ancα/β之后又进化成了什么模样吧。

血红蛋白之所以能够保持四聚体的模样，有两个关键的接口：IF1，负责连接α1-β1、α2-β2；IF2，负责连接α1-β2、α2-β1。实验发现，Ancα/β已经具有IF1，但是并不存在IF2。可以认为，是IF1让Ancα/β形成同二聚体，而此后进化出的IF2带它走向四聚体的道路。

IF1和IF2

而现代血红蛋白的α亚基可以通过IF1组成同二聚体，β亚基则可以同时利用IF1和IF2形成同四聚体，这也证实IF1应当继承自Ancα/β。

那么进化之路是不是很复杂呢？其实并不。

经过分析，研究者发现从Ancα/β到Ancα和Ancβ，其实发生的氨基酸替换根本没多少。Ancα的IF1只有3个改变，而Ancβ也仅仅是IF1 4个、IF2 5个的程度。

当把IF2的5个替换引入Ancα/β，就叫它Ancα/β5吧，Ancα/β5竟然立刻就可以和Ancα形成四聚体了，包括异四聚体也包括同四聚体。另外一个包含4个替换的版本，则是能够形成同四聚体，但不能够与Ancα形成异四聚体。就算只引入2个替换，也能够异高亲和力形成四聚体。

这可真是简单得出乎意料了！

通过进一步引入IF1的相关替换，研究者确定，IF1使得蛋白倾向于形成异二聚体，而IF2的存在则让它们再次组合成异四聚体。

绝大多数细胞过程都涉及蛋白多聚体的作用，今天介绍的这项研究是目前为止蛋白多聚体进化最清晰的步骤了。不过它仍旧遗留了很多待解决的问题。

比如实验中使用的效应分子IHP，其实它与血红蛋白结合位点并不与氧亲和位点完全重叠，实际情况可能会更加复杂。而二氧化碳、ATP等其他效应分子的调节作用，应该也是很有趣的探索方向。

此外，在整个进化过程中，基因层面是如何进行调控的也是值得讨论的。当然，这就是后话了。

参考资料：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2292-y

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-020-01287-8

本文作者 | 代丝雨

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