进化选择在蛋白质结构演化动力学中的作用

在自然界中追踪并在实验室中设计新蛋白质结构的出现已被证明非常困难。然而，结构演化的一个方面对于从蛋白质序列确定其三维结构极为有用：在绝大多数情况下，序列同一性超过 30% 的蛋白质具有相似的结构。低于这一界限即为“暮光区”，在此区域内蛋白质可能具有相同或截然不同的结构。这些观察构成了结构同源建模的基础直觉。然而，尽管它们很重要，但从未得到过全面的生物物理解释。在此我们表明，对于低接触密度（低热力学稳定性的代理指标）的蛋白质，暮光区的出现比高接触密度的蛋白质更为渐进。然后，我们提出了一个解析模型，将发散折叠演化视为一个活化过程，类似于化学动力学，其中序列演化必须克服热力学上不稳定的演化中间体才能发现新折叠。该模型解释了暮光区的存在，并解释了为什么对于某些类别的蛋白质，其暮光区的出现比其他类别更为突然。我们测试了该模型的假设，并利用模型蛋白质和细胞群体的演化模拟表征了折叠演化的动力学。总体而言，这些结果表明，基本的生物物理约束如何引导演化动力学，从而导致了现代蛋白质结构和序列的宇宙。