GluRS的人工进化

近期，耶鲁大学分子生物物理学与生物化学系（Department of Molecular Biophysics and Biochemistry）的Dieter Söll课题组成功地通过人工进化的方法，将细菌来源的谷氨酰tRNA合成酶（glutamyl-tRNA synthetase, GluRS）转变为谷氨酰胺酰tRNA合成酶（glutaminyl-tRNA synthetase, GlnRS），证明了这两个合成酶在进化上具有很近的亲缘关系。


郭立涛（Li-Tao Guo）博士是这个课题的主要参与人，他扩展了随机突变技术的应用，增加了人们对蛋白质进化的认识，丰富了研究方法，更增进了对酶的催化机理的了解。该研究成果发表在最新一期的《核酸研究》（Nucleic Acids Research）网络版上。


氨基酸的进化伴随着一类叫做氨酰tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase，aaRS）的蛋白的进化，由进化初期的几种氨基酸到现在的22种，构成了当今物种的多样性。22种氨基酸对应着21种aaRS，人类在发现这类蛋白的开始，就对其进化关系有着浓厚的兴趣， GluRS和GlnRS就是aaRS中的一种。


在自然界中，GluRS和GlnRS在序列上和结构上高度相似，具有很近的亲缘关系，因此认为GlnRS是从GluRS进化而来。长期以来，科学家们一直对这两种酶的进化关系十分感兴趣，尝试着通过定点突变的方法互换它们之间的识别特异性，但结果并不令人满意。大肠杆菌GlnRS活性中心的22个氨基酸曾经被定点突变，也只获得了十分微弱的GluRS活性，大约是真正GluRS的千分之一，可见GluRS和GlnRS对各自底物的识别是极其精确而复杂的。这个问题变得越来越困难：GluRS和GlnRS是如何实现对底物的精确识别呢？


Dieter Söll课题组长期从事tRNA及aaRS的研究，这一问题也吸引了他们的兴趣。这个课题的主要参与人--郭立涛博士，从SIBS毕业后，在耶鲁大学一直从事蛋白质工程研究工作。郭立涛博士把人工进化的方法应用到GluRS和GlnRS进化关系的研究上，经过不懈努力，成功地将细菌来源的GluRS进化出具有GlnRS活性的突变体，此突变体酶只有7个氨基酸被突变掉，但体内试验中中证明，这个突变体可以支持GlnRS温度敏感型大肠杆菌菌株在42度下生长（42度下，此菌株中的GlnRS是没有活性的，细胞不能生长），真正成为了具有GlnRS功能的蛋白质。