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| 中國海洋大學在蛋白質(zhì)溫度適應和趨同進化研究中取得新進展 |
| http://www.rumandrelaxation.com 2025年10月17日 來源：華禹教育網(wǎng) |
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近日，中國海洋大學水產(chǎn)學院、海水養(yǎng)殖教育部重點實驗室、山東省海水綠色養(yǎng)殖與智慧漁業(yè)重點實驗室、未來海洋學院董云偉教授團隊構建了“分子動力學模擬–酶促動力學–蛋白表達驗證–人工智能深度學習”的研究框架，將深度學習技術方法帶入到海洋動物蛋白質(zhì)結構研究中，系統(tǒng)分析了海洋魚類蛋白質(zhì)結構穩(wěn)定性對溫度的適應模式，揭示了其趨同進化特征。研究成果以“Temperature adaptation in structure and function in lactate dehydrogenase-A reflects convergent evolution in a few key protein regions”（乳酸脫氫酶A結構與功能的溫度適應揭示蛋白質(zhì)關鍵區(qū)域的趨同進化）為題，發(fā)表在國際知名學術期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（《美國科學院院報》）。
酶結構和功能的溫度穩(wěn)定性差異決定著所有生物的最適和極端生存溫度，理解酶結構和功能的溫度適應機制有助于深入探究蛋白質(zhì)結構-功能關系的演化，并從機理上揭示溫度變化對物種分布的影響。隨著計算機技術和人工智能的發(fā)展，大規(guī)模深入探究蛋白質(zhì)結構功能的趨同進化機制成為可能。
研究團隊以277種海洋魚類的乳酸脫氫酶A為研究對象，構建了“分子動力學模擬–酶促動力學–蛋白表達驗證–人工智能深度學習”的研究框架，探究了氨基酸替換對酶溫度適應性的潛在影響。首先，基于Gromacs分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)，酶結構穩(wěn)定性隨環(huán)境溫度升高而增強，并確定了變異位點的位置；進而結合ColabFold蛋白質(zhì)結構預測，發(fā)現(xiàn)18個與溫度顯著相關的氨基酸位點（TRSS），明確了蛋白質(zhì)結構與酶適應溫度的關系。并在模式生物斑馬魚上對7個TRSS進行定點突變實驗和酶促動力學測定，發(fā)現(xiàn)5個TRSS的突變會顯著影響酶功能特征（即KmPYR和熱殘留活性），這進一步證明了趨同進化是酶結構和功能進化的主要機制。最后，團隊構建了結合圖神經(jīng)網(wǎng)絡（GNN）與XGBoost算法的深度學習預測模型，從酶的結構和功能特征成功預測了生物的溫度耐受能力。本研究成功將海洋動物溫度功能適應研究推動到了人工智能階段。
圖1 海洋魚類LDH-A同源物的序列比對和模型模擬結果
團隊合影
中國海洋大學水產(chǎn)學院董云偉教授為文章通訊作者，中國海洋大學水產(chǎn)學院/未來海洋學院博士生朱曉露為第一作者。研究工作獲得國家自然科學基金杰青項目、國家自然科學基金面上項目和中國海洋大學優(yōu)青培育計劃等項目的支持。董云偉教授團隊主要從事海洋生物環(huán)境適應和分布變化相關研究，近年來在海洋動物蛋白質(zhì)結構和功能適應領域以第一作者和通訊作者連續(xù)4次發(fā)表在《美國科學院院報》（PNAS）上，推動了相關領域發(fā)展。
文：朱曉露 董云偉
文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/suppl/10.1073/pnas.2517759122
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