آنزیمها بهعنوان اجزای کلیدی شبکه متابولیک، نه تنها در کاتالیز واکنشهای زیستی نقش دارند، بلکه طی تکامل، ساختار آنها تحت تأثیر ویژگیهای متابولیکی، کلاسهای عملکردی، و زمینههای تکاملی گونهها شکل گرفته است. مطالعه حاضر، ساختار ۱۱٬۲۶۹ آنزیم مرتبط با ۳۶۱ واکنش متابولیکی در ۲۲۴ مسیر زیستی را در ۲۶ گونه از مخمرهای) Saccharomycotina شاملS. Cerevisiae و (C. albicans بررسی کرده تا نشان دهد که چگونه ویژگیهای متابولیکی بر روند تکامل ساختار آنزیمها اثرگذار بودهاند.
در این پژوهش، با استفاده از پیشبینیهای AlphaFold2 و دادههای تجربی، ساختار آنزیمها با دقت بالا بازسازی و شاخصهای زیر استخراج شد:
- نسبت تطابق :(MR) درصد اسیدهای آمینه قابل تطابق ۱:۱ با آنزیم مرجع (S. cerevisiae)
- نسبت حفاظت :(CR) درصد اسیدهای آمینه تطابقیافته که دقیقاً مشابه آنزیم مرجعاند
مقایسه این شاخصها با دادههای متابولیکی، فنوتیپی و پروتئومیکس، الگوهایی از تکامل ساختاری را آشکار ساخت.
مهمترین یافتهها
تکامل ساختاری آنزیمها در سطح گونه:
- آنزیمهای گونههایی با متابولیسم مشابه شباهت ساختاری بیشتری با یکدیگر دارند.
- آنزیمهای مسیرهایی مانند گلیکولیز،TCA و بیوسنتز پورین بیشترین حفاظت ساختاری را نشان میدهند.
تکامل در سطح مسیرهای متابولیکی:
- آنزیمهای مسیرهای مرکزی (مثل گلیکولیز، گلوکونئوژنز، و سنتز اسیدهای آمینه) از نظر ساختاری محافظتشدهاند.
- مسیرهای حاشیهای مانند سنتز لیپیدها و گلیکوزیلاسیون، بیشترین تنوع ساختاری را دارند.
بررسی ویژگیهای ساختاری:
- نواحی سطحی آنزیمها سریعتر از هسته (core) و محل اتصال لیگاند دچار تغییر میشوند.
- محل اتصال لیگاند و نواحی مشارکتکننده در تعاملات پروتئینی، بیشترین حفاظت را دارند.
- آنزیمهایی با مجموعههای خوشهای از اسیدهای آمینه حفاظتشده معمولاً دارای عملکردهای حیاتی (مثل اتصال به لیگاند یا تشکیل کمپلکس) هستند.
نتیجهگیری
این تحقیق یک مدل سلسلهمراتبی از تکامل ساختاری آنزیمها ارائه میدهد که در آن:
- ویژگیهای متابولیکی در مقیاس گونه، مسیر و روند تکامل را شکل میدهند.
- عملکرد کاتالیتیک، مهمترین عامل محدود کننده در طول تکامل است.
- تکامل آنزیمها، عمدتاً از تغییرات سطحی آغاز میشود و نواحی کلیدی مثل جایگاه اتصال سوبسترا محافظت میشوند.
این مدل میتواند به مهندسی متابولیک و طراحی آنزیمهای جدید کمک کند، بهویژه در زمینههای داروسازی، بیوانفورماتیک و زیستشناسی تکاملی.
منبع
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09205-6
توضیح تصویر: نمای کلی از رویکرد پژوهش برای بررسی تکامل ساختار آنزیمهای متابولیکی طی ۴۰۰ میلیون سال در گونههای مختلف مخمر نشان داده شده است. ابتدا، یک درخت فیلوژنتیکی برای ۲۶ گونه مخمر از زیرشاخه Saccharomycotina ترسیم شده تا تنوع تکاملی آنها مشخص شود. سپس، مسیر تحلیلی پژوهش نمایش داده شده که شامل پیشبینی ساختار آنزیمها با AlphaFold2، گروهبندی ارتولوگها، و همترازی ساختاری آنها با آنزیم مرجع در S. cerevisiae است. برای نمونه، ساختار یک آنزیم خاص در چندین گونه با هم مقایسه شده و میزان تطابق و الگوی حفاظت اسیدهای آمینه میان آنها مشخص شده است. در نهایت، رابطه بین میزان شباهت ساختاری آنزیمها با میزان حفاظت توالی بررسی شده تا مشخص شود کدام آنزیمها در طول تکامل کمتر یا بیشتر تغییر کردهاند.
