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| 中國(guó)海洋大學(xué)在蛋白質(zhì)溫度適應(yīng)和趨同進(jìn)化研究中取得新進(jìn)展 |
| http://www.szphoebest.com 2025年10月17日 來(lái)源：華禹教育網(wǎng) |
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近日，中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院、海水養(yǎng)殖教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、山東省海水綠色養(yǎng)殖與智慧漁業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、未來(lái)海洋學(xué)院董云偉教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“分子動(dòng)力學(xué)模擬–酶促動(dòng)力學(xué)–蛋白表達(dá)驗(yàn)證–人工智能深度學(xué)習(xí)”的研究框架，將深度學(xué)習(xí)技術(shù)方法帶入到海洋動(dòng)物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中，系統(tǒng)分析了海洋魚(yú)類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)溫度的適應(yīng)模式，揭示了其趨同進(jìn)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(jié)構(gòu)與功能的溫度適應(yīng)揭示蛋白質(zhì)關(guān)鍵區(qū)域的趨同進(jìn)化）為題，發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》）。
酶結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和功能的溫度適應(yīng)機(jī)制有助于深入探究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的演化，并從機(jī)理上揭示溫度變化對(duì)物種分布的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的發(fā)展，大規(guī)模深入探究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的趨同進(jìn)化機(jī)制成為可能。
研究團(tuán)隊(duì)以277種海洋魚(yú)類的乳酸脫氫酶A為研究對(duì)象，構(gòu)建了“分子動(dòng)力學(xué)模擬–酶促動(dòng)力學(xué)–蛋白表達(dá)驗(yàn)證–人工智能深度學(xué)習(xí)”的研究框架，探究了氨基酸替換對(duì)酶溫度適應(yīng)性的潛在影響。首先，基于Gromacs分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，酶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨環(huán)境溫度升高而增強(qiáng)，并確定了變異位點(diǎn)的位置；進(jìn)而結(jié)合ColabFold蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)18個(gè)與溫度顯著相關(guān)的氨基酸位點(diǎn)（TRSS），明確了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與酶適應(yīng)溫度的關(guān)系。并在模式生物斑馬魚(yú)上對(duì)7個(gè)TRSS進(jìn)行定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)和酶促動(dòng)力學(xué)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)5個(gè)TRSS的突變會(huì)顯著影響酶功能特征（即KmPYR和熱殘留活性），這進(jìn)一步證明了趨同進(jìn)化是酶結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)化的主要機(jī)制。最后，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了結(jié)合圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）與XGBoost算法的深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型，從酶的結(jié)構(gòu)和功能特征成功預(yù)測(cè)了生物的溫度耐受能力。本研究成功將海洋動(dòng)物溫度功能適應(yīng)研究推動(dòng)到了人工智能階段。
圖1 海洋魚(yú)類LDH-A同源物的序列比對(duì)和模型模擬結(jié)果
團(tuán)隊(duì)合影
中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院董云偉教授為文章通訊作者，中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院/未來(lái)海洋學(xué)院博士生朱曉露為第一作者。研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金杰青項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和中國(guó)海洋大學(xué)優(yōu)青培育計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。董云偉教授團(tuán)隊(duì)主要從事海洋生物環(huán)境適應(yīng)和分布變化相關(guān)研究，近年來(lái)在海洋動(dòng)物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能適應(yīng)領(lǐng)域以第一作者和通訊作者連續(xù)4次發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）上，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)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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