조상순서재건

Ancestral sequence reconstruction

조상순서재건(ASR) - 조상의 유전자/순서재건/재개라고도 알려진 - 분자진화의 연구에 사용되는 기술이다.이 방법은 다중 시퀀스 정렬에서 "항상" 유전자를 재구성하기 위해 관련 시퀀스를 사용한다.[1]

이 방법은 조상 단백질을 '복제'하는 데 사용될 수 있으며, 1963년 리누스 폴링과 에밀 주커칸들(Emile Jukerkandl)에 의해 제안되었다.[2]효소의 경우, 이러한 접근법을 엷은 어원(영국어: 팔래어원어)이라고 부른다.일부 초기 노력은 1980년대와 1990년대에 스티븐 A의 연구소가 주도했다. 베너,[3] 이 기술의 잠재력을 보여줘알고리즘의 개선과 더 나은 염기서열화 및 합성 기법 덕분에, 이 방법은 더 다양하고 훨씬 더 오래된 유전자의 부활을 가능하게 하기 위해 2000년대 초에 더 발전되었다.[4]지난 10년간 조상 단백질 부활은 단백질 진화의 메커니즘과 역학을 밝히는 전략으로 발전했다.[5]

원칙

계통생성 트리의 그림 및 ASR 수행 방법을 개념화하는 데 사용되는 방법.
조상의 순서 1,2,3을 재구성하는 알고리즘(위 그림 참조).순서 1의 조상 순서는 적어도 하나의 아웃그룹(예: D 또는 E)을 사용할 수 있는 한 B와 C에서 재구성할 수 있다.예를 들어, 위치 4에서는 시퀀스 B와 C가 다르지만, 시퀀스 D와 E는 그 위치에 C를 가지기 때문에 시퀀스 1도 C를 가질 가능성이 가장 높다.시퀀스 3은 추가적인 아웃그룹 시퀀스 없이 완전히 재구성될 수 없다("X"로 표시된 불확실성).

단백질을 연구하기 위한 기존의 진화적, 생화학적 접근법과는 달리, 즉 생명의 나무의 다른 가지 끝에서 관련 단백질 호몰로지의 소위 수평적 비교; ASR은 나무의 마디 안에서 통계적으로 유추된 조상 단백질을 수직적 방식으로 조사한다(도표, 오른쪽 참조).이 접근방식은 진화 시간에 걸쳐 일시적으로 발생할 수 있는 단백질 특성에 대한 접근을 제공하며, 최근 현재의 순서를 초래한 잠재적 선택 압력을 추론하는 방법으로 사용되고 있다.ASR은 기능 검사를 사용하여 도표에서 돌연변이가 조상 '5'와 '4' 사이에 있다고 처음 결정함으로써 복제 후 단백질의 기능상 신기능화를 초래한 원인 돌연변이를 조사하는데 사용되어 왔다.[6]단백질 생물 물리학 분야에서, 공중 감시 레이더 또한 HX[7] 같은 통찰력을 이 종류 일반적으로 여러 조상들을 중건했다 기본에서 도출되고 있는 많은 현대 날 분석적인 기술을 접목시켜 단백질의와 동적인 열역학적 풍경의 진화 시간이 지남에 따라 발전은 물론 단백질 접기 경로를 공부하는 데 사용되었다.쇼핑계통발생학 – 이전의 비유에서, 생명의 나무 안에서 점점 더 높은 (진화 시간에서 점점 더 오래) 노드를 연구함으로써,[8]

대부분의 ASR 연구는 체외에서 수행되며, 온도조절성 증가, 촉매 활성, 촉매 난잡성 등 진화적으로 바람직한 특징으로 보이는 조상 단백질 특성을 밝혀냈다.이러한 데이터는 ASR 알고리즘의 인공물뿐만 아니라 고대 지구의 환경을 나타내는 삽화에도 인정되었다. 종종 ASR 연구는 알고리즘 오류를 완화하기 위해 광범위한 제어장치(일반적으로 대체 ASR 실험)로 보완되어야 한다.연구된 ASR 단백질이 모두 이러한 소위 '천안함 우위'를 나타내는 것은 아니다.[9]'진화생화학'의 초기 분야는 최근 특정 세포의 맥락 안에서 생물체의 적합성을 조사하는 방법으로 조상을 이용하는 ASR 연구가 증가함에 따라 힘을 얻었으며, 이는 효과적으로 조상 단백질을 생체 내에서 테스트하는 것이다.[8]이러한 종류의 연구에 내재된 한계로 인해, 주로 이러한 조상에게 적합한 고대 게놈의 부족, 잘 분류된 실험실 모델 시스템의 작은 레퍼토리, 고대 세포 환경을 모방할 수 없다는 점 등으로 인해, 체내 ASR 연구가 거의 수행되지 않았다.위에서 언급한 장애물에도 불구하고, 2015년 한 논문에서 이 연구의 길에 대한 예비적인 통찰력은 체외에서 관찰된 '반관 우위'가 주어진 단백질의 체내에서 재평가되지 않았다는 것을 밝혀냈다.[10]ASR은 Presambrian 시대의 생화학(>541Ma)을 연구하기 위한 몇 가지 메커니즘 중 하나를 제시하며, 따라서 흔히 '팔레오비화학'이라고 불리는 분야의 출발점이 되는 ASR을 '팔레오비화학'으로 생각하였다.

방법론

관심 단백질의 관련 동음이의 몇 개를 선별하여 다중 시퀀스 정렬(MSA)으로 정렬하고, '유전자식 트리'는 가지 노드에서 통계적으로 유추된 시퀀스로 구성된다.이른바 '앵커'인 이 시퀀스들, 즉 해당 DNA를 합성해 세포로 변형시키고 단백질을 생산하는 과정이 이른바 '재구성'이다.조상의 순서는 일반적으로 최대 우도에 의해 계산되지만 베이시안적인 방법 또한 구현된다.선조들은 계통생성으로부터 유추되기 때문에 계통의 위상과 구성은 출력 ASR 시퀀스에서 주요한 역할을 한다.예를 들어 박테리아 진화에 있어 열성 박테리아가 기초적인 것인지 아니면 파생적인 것인지에 대한 많은 토론과 논의가 있다는 점을 감안할 때, 많은 ASR 논문은 위상이 다르고 따라서 ASR 순서가 다른 여러 가지 위상들을 구성한다.그런 다음 이러한 시퀀스를 비교하고 종종 계통생성 노드당 여러 개(~10개)를 표현하고 연구한다.ASR은 고대 단백질/DNA의 실제 시퀀스를 재현한다고 주장하는 것이 아니라, 실제로 노드에 있었던 시퀀스와 유사할 가능성이 있는 시퀀스를 재현한다고 주장한다.이것은 단백질 진화의 '중립 네트워크' 모델에 들어맞기 때문에 ASR의 단점으로 간주되지 않는다. 단백질 진화의 '중립 네트워크' 모델에서는 진화적으로 서로 다르지만 표현적으로 유사한 단백질 시퀀스가 현존하는 유기체 모집단에 존재한다.따라서 ASR이 노드의 중립적 네트워크의 시퀀스 중 하나를 생성할 수 있으며, 현대적 시퀀스의 마지막 공통 조상의 유전자형을 나타내지는 않지만 표현형을 나타낼 가능성이 있다.[8]이것은 단백질의 비 촉매적/기능적 부위의 많은 돌연변이가 생물물리학적 특성에 사소한 변화를 일으킨다는 현대의 관찰에 의해 뒷받침된다.따라서 ASR은 과거 단백질의 생물물리학적 특성을 조사할 수 있게 해주며 고대 유전학을 나타낸다.

최대우도(ML) 방법은 사용된 추론 방법에 의해 각 위치의 잔류물이 해당 위치를 차지할 가능성이 가장 높은 것으로 예측되는 시퀀스를 생성함으로써 작동한다. 일반적으로 이것은 나머지 시퀀스에서 계산된 점수 매트릭스(블라스트 또는 MSAs에서 사용되는 것과 유사함)이다.대체 방법에는 시퀀스 진화의 모델에 기초하여 시퀀스를 구성하는 최대 시모니(MP)가 포함된다. 일반적으로 핵분열 순서의 최소 개수는 진화가 취할 가장 효율적인 경로를 나타내며, 오캄의 면도칼에 의한 것이 가장 가능성이 높다.MP는 종종 재건을 위한 가장 신뢰도가 낮은 방법으로 여겨지는데 그것은 거의 틀림없이 10억 년 규모에 적용할 수 없는 수준으로 진화를 지나치게 단순화시키기 때문이다.

또 다른 방법은 잔류 불확실성( 이른바 베이시안 방법)을 고려하는 것이다. 이러한 형태의 ASR은 때때로 ML 방법을 보완하기 위해 사용되지만 일반적으로 더 모호한 시퀀스를 생산한다.ASR에서 '유사성'이란 용어는 명확한 대체를 예측할 수 없는 잔여 위치를 가리킨다. 이러한 경우, 모호성의 대부분을 포함하며 1-안과 비교되는 여러 개의 ASR 시퀀스가 생성되는 경우가 많다.ML ASR은 종종 파생된 시퀀스가 입력 시퀀스의 단순한 일치 이상의 것임을 나타내는 보완 실험이 필요하다.이것은 특히 '항상 우위'[7]의 관찰에 필요하다.온도 조절 능력이 증가하는 추세에서, 한 가지 설명은 ML ASR이 혈전 전체에서 사소한 단백질 온도 조절 능력을 부여하도록 진화된 몇 가지 서로 다른 병렬 메커니즘의 일치된 시퀀스를 생성하여 부가적인 효과로 인해 '상위적인' 조상 온도 조절 능력이 발생한다는 것이다.[11]

비ML 방법을 통한 컨센서스 시퀀스와 병렬 ASR의 표현은 실험당 이 이론을 해체하는 데 종종 필요하다.ML 방법에 의해 제기되는 또 다른 우려는 점수 매트릭스가 현대적인 시퀀스에서 파생되며 오늘날 보이는 특정 아미노산 주파수가 Presambrian 생물학에서와 같지 않아 왜곡된 시퀀스 추론을 야기할 수 있다는 것이다.여러 연구가 다양한 방법론을 통해 고대 점수 매트릭스를 구성하려고 시도했으며, 그 결과 시퀀스와 단백질의 생물물리학적 특성을 비교했다.이러한 수정된 시퀀스들은 다소 다른 ASR 시퀀스를 초래하지만, 관찰된 생물물리학적 특성은 실험 오류와 외부로 다르지 않은 것처럼 보였다.[12]ASR의 '성격적' 특성과 모든 가능한 실험오차의 원인을 고려할 때 발생하는 극심한 복잡성 때문에, 실험계는 ASR 신뢰성의 궁극적인 측정을 동일한 노드의 몇 가지 대체 ASR 재구성과 유사한 생물학적 생물의 식별의 비교로 간주한다.담금질질질하다이 방법은 강력한 통계적 수학적 신뢰도를 제공하지 않지만, 개별 아미노산 대체물이 단백질에서 유의미한 생물물리학적 특성 변화를 일으키지 않는다는 ASR의 기본적 발상 즉, 추론 모호성의 효과를 극복하기 위해 참이 유지되어야 하는 임차인이다.이티[13]

ASR에 사용되는 지원자는 종종 연구 중인 특정 관심 특성(예: 자동 온도 조절 기능)에 기초하여 선택된다.[9]속성 범위의 어느 한쪽 끝에서 시퀀스를 선택함으로써(예: 정신세포 단백질과 열성 단백질) 단백질 제품군 내에서 ASR을 사용하여 관찰된 생물물리학적 효과(예: 안정화 상호작용)를 부여한 특정 시퀀스 변화를 조사할 수 있다.도표에서, 순서 'A'가 중성 pHs에서 최적으로 기능하는 단백질을 암호화한 경우, '5'와 '2' 사이의 순서 변화는 이 차이에 대한 정확한 생물물리학적 설명을 나타낼 수 있다.ASR 실험은 수십억 년 된 조상들을 추출할 수 있기 때문에, 종종 조상 자신과 조상들 사이에 수 백 개의 순서 변화들과 현존하는 순서들이 있다 – 이 때문에, 그러한 순서 기능 진화 연구는 많은 작업과 합리적인 방향을 필요로 할 수 있다.[1][6][14]

부활한 단백질

조상 단백질의 많은 예들이 컴퓨터적으로 재구성되고 살아있는 세포 라인으로 표현되며, 많은 경우 정화되고 생화학적으로 연구되었다.손턴 연구소는 특히 여러 조상 호르몬 수용체(약 500Ma)[15][16][17]를 부활시켰고 스티븐스 연구소와 협력하여 고대 V-ATPase 서브유닛을[18] 효모(800Ma)에서 부활시켰다.마르퀴즈 연구소는 최근 대장균 리보누클레스 H1의 진화적 생물물리학적 역사에 관한 여러 연구를 발표했다.[9][19]다른 예로는 척추동물의 조상 시각적 색소,[20] 당분을 분해하는 효소(800Ma),[21] 항생제에 내성을 제공하는 박테리아 내 효소(2~3Ga),[22] 반추체 소화에 관여하는 리보핵화제, 효모 발효에 관여하는 알코올 탈수소화제(Adhs) 등이 있다.[13]재구성된 시퀀스의 '연령'은 분자 시계 모델을 사용하여 결정되며, 종종 여러 개가 사용된다.[7][23]이 데이트 기법은 지질학적 시간점(고대 해양 성분이나 BIF 등)을 이용하여 보정하는 경우가 많으며, 이러한 시계는 매우 오래된 단백질의 나이를 추론하는 유일한 방법을 제공하지만, 그들은 광범위한 오차 한계를 가지고 있으며 반대되는 데이터를 방어하기 위해 불확실하다.이를 위해 ASR '나이'는 실제로 지시적 특징으로만 사용되어야 하며, 조상 대대와 현대적 순서(시계가 계산되는 기금) 사이의 대체 횟수를 측정하기 위해 모두 추월되는 경우가 많다.[9]말하자면, 시계의 사용은 ASR 단백질의 관찰된 생물물리학적 데이터를 당시의 지질학적 또는 생태학적 환경과 비교할 수 있게 한다.예를 들어 박테리아 EF-Tus(번역 관련 단백질, HGT의 영향을 거의 받지 않고 일반적으로 Tms ~2C가 Tenv보다 큰 것으로 나타나는)에 대한 ASR 연구는 산소-18 동위원소 수준에 기초한 고대 지구 해양 온도의 지질 데이터와 매우 밀접하게 일치하는 더 뜨거운 Preambrian Earth를 나타낸다.[12]효모 Adhs의 ASR 연구는 에탄올 신진대사를 위한 부기능화된 Adhs의 출현(폐기물 배설만이 아니라)이 캄브리아기 살찐 과일의 새벽과 비슷한 시기에 발생했으며, 이 출현 전에 Adh는 과잉 화농성의 부산물로 에탄올을 배설하는 역할을 했다고 밝히고 있다.[13]시계의 사용은 또한 최초의 분자 화석이 (>4.1Ga)를 나타내기 전에 생명의 기원이 발생했음을 나타낼 수도 있지만, 분자시계의 논란의 여지가 있는 신뢰도를 감안할 때 그러한 관찰은 주의해서 취해야 한다.[23][24]

티오레독신

한 예로 티오레독신 효소의 재구성이 있다.[25]이러한 재구성 효소의 화학적 활성은 현대 효소와 현저하게 유사한 반면, 그들의 물리적 성질은 열과 산성의 안정성이 현저히 높아진 것을 보여주었다.이러한 결과는 오늘날보다 훨씬 더 뜨겁고 산성도가 높은 바다에서 고대 생명체가 진화했을 가능성을 시사한 것으로 해석되었다.[25]

의의

이러한 실험들은 진화 생물학에서 다양한 중요한 질문들을 다루고 있다: 진화는 작은 단계로 진행되는가 아니면 큰 도약으로 진행되는가; 진화는 되돌릴 수 있는가; 복잡성은 어떻게 진화하는가?호르몬 수용기의 아미노산 염기서열에서 약간의 돌연변이가 호르몬에 대한 선호도의 중요한 변화를 결정한다는 것이 밝혀졌다.이러한 변화는 내분비계의 진화에 있어서 거대한 단계를 의미한다.따라서 분자 수준에서 아주 작은 변화들은 엄청난 결과를 가져올 수 있다.손턴 연구소는 또한 진화가 글루코르티코이드 수용체를 되돌릴 수 없다는 것을 보여줄 수 있었다.이 수용체는 코티솔 수용체에서 7개의 돌연변이에 의해 변화되었지만, 이러한 돌연변이를 되돌리기는 원래의 수용체를 되돌려주지는 못했다.인식 현상이 단백질 진화에 중요한 역할을 한다는 것을 나타냄 - 병렬 진화의 여러 예시와 결합하여 위에서 언급한 중립적 네트워크 모델을 뒷받침하는 관찰.[8]이전의 다른 중성 돌연변이는 래칫 역할을 했고 수용체에 대한 변화를 되돌릴 수 없게 만들었다.[26]수용체에 대한 이러한 서로 다른 실험은 진화 과정에서 단백질이 크게 구별된다는 것을 보여주며 이는 복잡성이 어떻게 진화할 수 있는지를 설명해 준다.서로 다른 조상 호르몬 수용체와 다양한 호르몬을 자세히 살펴보면 단일 아미노산 잔류물과 호르몬의 화학군 사이의 상호작용 수준에서 매우 작지만 구체적인 변화에 의해 발생한다는 것을 알 수 있다.예를 들어, 이러한 변화에 대한 지식은 호르몬의 작용을 모방하거나 억제할 수 있는 호르몬 등가물의 합성으로 이어질 수 있으며, 이것은 새로운 치료법의 가능성을 열 수도 있다.

ASR이 고대의 온도 조절과 효소 난잡한 성향을 드러냈다는 점에서 ASR은 이러한 특성(때로는 현재보다 더 큰 효과를 내는 것, 이성적으로 리드 툴)을 원하는 단백질 엔지니어들에게 귀중한 도구로 포즈를 취하고 있다.[11]ASR은 또한 표현적으로 유사한 '고전적인 유기체'를 '복제'할 것을 약속하며, 이를 통해 진화 생화학자들이 생명의 이야기를 조사할 수 있게 된다.베너와 같은 ASR의 지지자들은 이것들과 다른 실험들을 통해, 현 세기말의 생물학에서 지난 세기 고전 화학에서 발생한 것과 유사한 수준의 이해를 볼 수 있을 것이라고 말한다.[13]

참조

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