用mRNA展示技术研究蛋白质相互作用起源

Following the prebiosynthesis of amino acids by Miller at 1953, the next challenging topic in the study of origin of life is to elucidate the mechanisms for the origin of proteins. The past ten years have witnessed big progress in this area, especially for tracing the structures and functions of primordial proteins. However, the mechanisms underlying the formation of protein-protein interactions (PPI) remain largely unknown. In this project, we will use mRNA display technique to construct a random peptide library (RPL) consisting of 15 types of early-originated amino acids. Then, we will use the ancient proteins induced by ATP to select the interacting peptides from the RPL and observe the impact of cofactors and metal ions on the PPI formation. Finally, we will explore the structural and functional features for the selected random peptides. This project attempts to address the following three fundamental scientific questions: i) how probable are ancient proteins to form PPI with random peptides? ii) what impacts do the common cofactors and metal ions have on the formation of PPI? iii) what features do the PPI-forming random peptides have in structures and functions? The results are expected to provide new insights into the mechanisms for origin of proteins (even for origin of life), and to offer new approaches for element design and modification in synthetic biology. Therefore, this project is of great significance not only in basic science but also in application.

自1953年Miller由无机气体合成氨基酸以来，蛋白质的起源机制即成为生命起源领域又一个核心问题。近10年来的研究对蛋白质本身的起源已有初步认识，但对蛋白质相互作用（PPI）的起源几乎一无所知。本课题拟采用mRNA展示技术构建15种早起源氨基酸组成的随机肽库，然后用ATP诱导产生的原始蛋白钓取与其形成相互作用的随机肽，并评价辅因子和金属离子对随机肽与蛋白形成相互作用的影响，最后对钓取的互作随机肽进行结构与功能方面的研究。本课题的完成将初步回答以下三个基本科学问题：1）原始蛋白与随机肽形成PPI的几率是多少？2）辅因子和金属离子对PPI的形成有何影响？3）与原始蛋白形成PPI的随机肽在结构与功能方面有什么特点？本研究所得结果不仅有助于理解蛋白质乃至生命的起源机制，也将为合成生物学的元件设计与改造提供新方法，因此具有重要的基础科学意义和较大的潜在应用价值。

基于小分子配体的保守性，本课题组提出了原始蛋白结构起源的小分子诱导模型，认为最早产生的蛋白质是由ATP诱导选择产生的。本研究首先采用cDNA展示技术，对该假说了进行了初步验证。用ATP诱导筛选获得的丰度最高的蛋白质具有ATP结合能力及ATP水解活性。以此蛋白为诱饵蛋白，在15种早起源氨基酸组成的随机肽库中钓取与其形成相互作用的随机肽，发现筛选所得的ATP结合蛋白的互作蛋白为其自身。我们进一步通过蛋白交联实验和分子筛实验验证了该蛋白以二聚体形式存在。然后本课题组通过生物信息学方法研究了早起源蛋白质的结构、功能特性，发现使用最广泛的折叠类型依次为c.37、c.2、c.1，其中折叠类型为c.37的蛋白均使用ATP作为其辅因子。我们还以起源于不同进化时期的人类蛋白为研究对象，分析其蛋白互作网络，发现该网络为无尺度网络，起源较早的蛋白倾向于形成更多互作，而晚起源的蛋白则优先与同一时期或更早时期起源的蛋白形成互作。接下来我们选取其中起源于细胞生物起源时期蛋白，构建其蛋白互作网络并进行分析，发现了17个具有不同功能的子网络。最后，我们通过网络扩展算法，以几种简单的前生源化合物为种子构建了原始代谢网络，分析发现该代谢网络具有原始代谢网络的特征。通过热力学约束的网络扩展算法及限速反应机制的分析判断了该网络在原始环境下的热力学可行性及动力学可行性。进一步分析发现催化该代谢网络中反应的蛋白酶间存在蛋白互作。这些蛋白均起源较早（起源于细菌起源时期之前），并且起源于同一时期的蛋白更容易形成相互作用。其中有两对互作蛋白起源于细胞生物起源时期并使用早起源的折叠结构。本研究有助于我们了解早起源蛋白质结构及功能性质，有助于加深我们对蛋白质相互作用起源机制及代谢网络起源机制的理解，对生命起源机制的理解有较重要的意义。