海洋贝类蛋白热稳定性研究揭示进化与适应的复杂关系

《Communications Biology》：Phylogenetic history and temperature adaptation contribute to structural and functional stability of proteins in marine mollusks

本研究聚焦海洋贝类蛋白热稳定性，通过比较41种不同环境温度下生活的海洋贝类的细胞质苹果酸脱氢酶（cMDH）正交同源蛋白，揭示了进化历史和温度适应对其结构与功能稳定性的影响，为理解海洋生物热适应机制提供了重要见解。

　　海洋贝类在全球生态系统中扮演着重要角色，其生存环境温度差异巨大，从寒冷的南极到炎热的热带海域。然而，目前对于海洋贝类如何在不同温度环境中实现蛋白质结构与功能稳定性的适应机制仍知之甚少。为了回答这一问题，中国海洋大学的研究人员开展了一项关于海洋贝类细胞质苹果酸脱氢酶（cMDH）正交同源蛋白热稳定性的研究。该研究选取了41种生活在不同环境温度下的海洋贝类，通过综合比较其cMDH蛋白和mRNA水平的结构与功能稳定性，揭示了进化历史和温度适应对海洋贝类蛋白热稳定性的影响机制，为理解海洋生物的热适应策略提供了重要见解。研究成果发表在《Communications Biology》上。 研究人员首先构建了41种海洋贝类的系统发育树，发现某些贝类家族的cMDH正交同源蛋白表现出较高的热稳定性，这与它们的进化历史密切相关。例如，Neritidae和Littorinidae家族的贝类，尽管生活在相对较凉爽的中潮带，但其cMDH蛋白的热稳定性却高于生活在更温暖环境中的其他家族。这一现象表明，进化历史在海洋贝类蛋白热稳定性中起着重要作用，物种的热耐受性在一定程度上受到其进化谱系的限制。 为了深入探究cMDH蛋白的热稳定性，研究人员采用了分子动力学模拟技术。通过模拟cMDH蛋白在不同温度下的结构变化，发现随着温度升高，蛋白骨架的运动波动与物种的适应温度呈显著负相关。具体来说，适应高温环境的贝类其cMDH蛋白在高温下表现出较小的运动波动，具有更高的结构刚性。此外，研究人员还分析了cMDH mRNA的二级结构稳定性，发现其自由能变化与适应温度呈显著正相关，且G+C含量也随着适应温度的升高而增加。这表明mRNA二级结构的稳定性与蛋白的热稳定性密切相关，可能在蛋白质的热适应过程中发挥重要作用。 研究结果表明，进化历史和温度适应共同塑造了海洋贝类cMDH蛋白和mRNA的热稳定性。尽管进化历史对蛋白热稳定性的影响显著，但温度适应也在其中发挥了重要作用。例如，Neritidae家族的贝类可能继承了其祖先的高温耐受性，这种耐受性在其进化过程中得以保留，使其在当前的环境温度下仍具有较高的热稳定性。然而，对于生活在高热环境中的贝类，如Littorinidae家族，其cMDH蛋白的热稳定性可能更多地受到温度适应的驱动。这些发现强调了在研究海洋生物热适应时，需要综合考虑进化历史和环境温度的双重影响。 本研究的意义在于，它不仅揭示了海洋贝类蛋白热稳定性的进化机制，还为预测海洋生物在未来气候变化中的适应能力提供了理论依据。随着全球气候变暖，海洋温度不断升高，了解海洋贝类的热适应机制对于保护海洋生态系统和预测生物多样性变化具有重要意义。此外，该研究还为研究其他海洋生物的热适应策略提供了新的思路和方法，有助于推动海洋生物学和进化生态学领域的发展。