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董云伟团队关于蛋白质温度适应性变化的研究成果再次在《美国科学院院报》发表
发布日期:2018-12-25      浏览次数:1643

1224日,我实验室董云伟教授与斯坦福大学 George Somero 教授合作,在 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)(《美国科学院院报》)发表题为“Comparing mutagenesis and simulations as tools for identifying functionally important sequence changes for protein thermal adaptation”的研究论文,探讨了海洋软体动物蛋白质温度适应性变化模式。这一文章与该团队2018年初在PNAS发表的“Structural flexibility and protein adaptation to temperature: Molecular dynamics analysis of malate dehydrogenases of marine mollusc”一文共同开辟了利用计算生物学进行贝类进化研究的方向。

董云伟团队在潮间带生物生化适应机制的研究过程中,结合分子动力学模拟和实验调控手段,发现极端高温下,耐热滨螺能够通过增强代谢关键酶的作用,避免蛋白质的解链,保持微结构完整和功能维持(J Exp Biol, 2017);通过对原位体温跨度达6012种软体动物的研究,定量了cMDH结构柔性的温度适应性变化程度,揭示了氨基酸温度适应性进化的关键位点,阐述了蛋白质结构稳定性与生物地理分布的内在联系。将海洋软体动物生化适应研究从单一的定性实验,拓展到了基于计算生物学的定量研究,揭示了海洋软体动物细胞质苹果酸脱氢酶(cMDH)结构稳定性和功能适应性的趋同进化模式,建立了基于代谢关键酶的酶促动力学蛋白合成模拟计算的生化适应机制的创新性研究模式。

 

图. (A) 具有不同水平和垂直分布、原位温度迥异的海洋软体动物具有不同的热耐受性,并且与 cMDH 结构刚性和柔性的变化程度负相关;(B) 分子动力学模拟(MDS)高温变性过程中,主要刚性和柔性的变化发生在柔性区域(MR),实线为粒结节滨螺(Echinolittorina radiata)cMDH 初始结构,虚线为 57 °C 下,0-2ns 结构变性的变化轨迹; (C) 塔结节滨螺(E. malaccana)的二聚体结构,红色球体为E. malaccana, E. radiata, Littorina keenaeL. scutulata cMDH非保守替代位点,氨基酸变异位点总是位于 MRs 外,四者具备高度保守的序列,但热耐受性迥异。

 

 

基于上述基础,课题组进一步拓展研究的深度与广度,比较分析了从南极洲半致死温度仅为 4 °C 的扇贝,到中国沿海可耐受 60 °C 以上高温的滨螺等26种海洋软体动物 cMDH 的温度耐受性,提出了蛋白质不同区域氨基酸的温度适应性变化模式,通过分子动力学分析揭示了具有重要功能的区域及其作用机制。这一系列研究成果加深了对海洋生物蛋白质温度适应机制的认识,为该领域提供了新的研究模式与思路,对于查明环境温度对生物分布的影响及其机制,预测气候变暖的生态学效应具有重要意义。

该成果得到国家自然科学基金项目(项目编号:4177613541476115)和福建省杰出青年基金(2017J07003)资助。

董云伟团队致力于潮间带生态学研究,重点研究潮间带生物对复杂环境条件的响应特征和时空规律,及其适应机制。近年来研究主要集中在潮间带生物生化适应机制、生理调节策略及地理格局变化等方面。(1)生理调节策略方面:建立了以能量代谢和应激反应为主要参数的生理响应模型,阐释了温度和降水等多重环境胁迫影响潮间带种群动态的机制(Funct Ecol2016Mol Ecol2014)。整合环境和生理数据,查明我国潮间带生物对温度变化的敏感性及其纬度特征(P Roy Soc B2017)。与国外合作者共同发表评述提出要重视海洋多重尺度环境变化的生态效应(Nature2018)。(2)地理格局变化方面:确定了我国潮间带软体动物存在着以长江口为界的生物地理格局,提出了海堤修建会导致生物分布区迁移(Science2015);证实了沿岸建筑已成为我国潮间带生物扩散的跳板,减弱了长江口原有的隔离效应,促进了南北群体间的交流,改变了潮间带生物地理分布格局(Divers Distrib2016);首次发现了气候变化和人类活动造成我国潮间带软体动物向北迁移的证据。

董云伟教授个人主页:https://mel.xmu.edu.cn/teacherfile.asp?tid=353

相关文献:

1)        Liao, M. L., Somero, G.N., Dong, Y.W.*, 2018. Comparing mutagenesis and simulations as tools for identifying functionally important sequence changes for protein thermal adaptation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America DOI: 10.1073/pnas.1817455116.

2)        Dong, Y. W.*, Liao, M. L., Meng, X. L. Somero, G. N.*, 2018. Structural flexibility and protein adaptation to temperature: Molecular dynamics analysis of malate dehydrogenases of marine molluscs. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 115, 1274-1279.

3)        Liao, M. L., Zhang, S., Zhang, G. Y., Chu, Y. M., Somero, G. N., Dong, Y. W.* (2017). Heat-resistant cytosolic malate dehydrogenases (cMDHs) of thermophilic intertidal snails (genus Echinolittorina): protein underpinnings of tolerance to body temperatures reaching 55 °C. Journal of Experimental Biology 220, 2066-2075.

4)        Dong, Y. W.*, Li, X. X., Choi, F. M. P., Williams, G. A., Somero, G. N., Helmuth, B. (2017). Untangling the roles of microclimate, behaviour and physiological polymorphism in governing vulnerability of intertidal snails to heat stress. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 284, 1854.

5)        Dong, Y. W.*, Zhang, S. (2016). Ecological relevance of energy metabolism: transcriptional responses in energy sensing and expenditure to thermal and osmotic stresses in an intertidal limpet. Functional Ecology 30, 1539-1548.

6)        Dong, Y. W.*, Huang, X. W., Wang, W., Li, Y., Wang, J. (2016). The marine ‘great wall’ of China: local- and broad-scale ecological impacts of coastal infrastructure on intertidal macrobenthic communities. Diversity and Distributions 22, 731-744.

7)        Huang, X. W., Wang, W., Dong, Y. W. *(2015). Complex ecology of China's seawall. Science 347, 1079. (Letter)

8)        Dong, Y. W.*, Han, G. D., Huang, X. W. (2014). Stress modulation of cellular metabolic sensors: interaction of stress from temperature and rainfall on the intertidal limpet Cellana toreuma. Molecular Ecology 23, 4541-4554.

9)        Bates, A. E.*, Helmuth, B., Burrows, M. T., Duncan, M. I., Garrabou, J., Guy-Haim, T., Lima, F., Queiros, A. M., Seabra, R., Marsh, R., Belmaker, J., Bensoussan, N., Dong, Y. W., Mazaris, A. D., Smale, D., Gilov, G. (2018). Biologists ignore ocean weather at their peril. Nature 560, 299-301.