我们的身体会产生大量分解有毒物质的酶。一类此类酶是含黄素的单加氧酶 (FMO)，它存在于所有四足动物中。人类有五种不同的 FMO 基因，其中前四种表现出相同的活性。然而，第五个 FMO 基因引发了不同的分解反应。格罗宁根大学的生物化学家已成功复活所有四足动物 FMO 的祖先基因，以展示这种差异是如何发生的。他们的结果发表在 2 月 24 日的Nature Communications上。

重建解毒酶的进化史

FMO 存在于从细菌到植物和动物的所有生命形式中。在人类中，FMO 可以分解多种有毒物质。在人类存在的五个 FMO 基因中，实际上在所有四足动物(四肢脊椎动物)中，有四个负责氧化有毒分子中的特定基团(杂原子)以使其无害。然而，FMO5 会引起非常不同的化学反应，即在酮或醛化合物的两个碳原子之间插入一个氧原子。

进化树

“我们的问题是，为什么这个 FMO 基因会产生一种具有不同活性的酶，”专门研究重建蛋白质进化史的 Laura Mascotti 说。Mascotti 是格罗宁根大学酶工程教授 Marco Fraaije 领导的研究小组的博士后，也是Nature Communications论文的最终作者。基因复制非常普遍，进化论允许同一基因的不同拷贝出现分歧。“我们想弄清楚 FMO5 是否进化出一种新的反应机制，或者祖先基因是否可以触发这两种反应，而其他 FMO 后来失去了这两种反应中的一种。”

除了好奇心——Fraaije 小组之前重建了哺乳动物五分之四的祖先 FMO 的结构——这项工作可能有助于改变酶的作用或设计由它激活的药物。Mascotti：“在我们之前的论文中，我们汇编了所有生物体中的 FMO 酶序列，然后我们用它来构建进化树。” 这表明哺乳动物 FMO 1 到 4 密切相关，而 FMO5 略有不同。“由于所有四足动物都有这五个基因，我们大致知道祖先基因何时分化为这两个版本。”

复活的酵素

她计算了常见祖先酶最可能的氨基酸序列，以及 FMO 1-4 和 FMO5 的祖先基因。“我们通过推断蛋白质每个位置最有可能的氨基酸来做到这一点，”Mascotti 解释说。“结果很可能不是精确的原始序列，但它仍然能够以很高的概率重现酶的活性。” 一旦这项工作完成，下一步就是复活祖先的酶。“为此，我们订购了会产生祖先酶的基因，并在大肠杆菌中表达它们。” 这产生了酶，然后我们可以确定它们的活性。

复活的酶产生了预期和意想不到的结果：“这两种酶的祖先表现出与现在大致相同的活性。然而，所有五种 FMO 的祖先酶都可以催化这两种反应，”Mascotti 说。该酶可以氧化杂原子、酮和醛。这表明当今的基因只是失去了这些功能之一。此外，研究人员证明，酶结构中仅三个氨基酸的变化可以解释这种活性差异。

“这意味着这些酶的历史相当简单，”马斯科蒂总结道。“我们相信祖先基因可以做任何事情。然后复制该基因，这意味着多余的副本可以更自由地进化，从而产生具有两种功能的不同酶。有趣的是，这发生在四足动物从海洋迁移到陆地的时候。“植物会产生大量有毒代谢物，因此动物具有选择性优势，可以有效分解这些毒素。”

药品

研究人员还发现，酶使用的辅因子对于它们引发的反应类型很重要。'不属于活性位点但与辅因子相互作用的氨基酸似乎是至关重要的。通常，辅助因子只是电子供体，但在这种情况下，它们决定了活动的类型，这是非常独特的。这种关于酶结构和功能之间关系的知识对于操纵解毒酶或设计能够减少药物分解的抑制剂非常重要。

Mascotti：“我们满足了对这些酶的历史的好奇心，并发现了对它们运作方式的新见解。此外，我们只能通过在一个非常多元化的团队中与酶学、进化和蛋白质结构方面的专家合作来做到这一点。