《Nature Communications》：Deep homology and design of proteasome chaperone proteins in Candidozyma auris
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本研究旨在探索蛋白质快速进化下的功能保守机制。针对致病真菌耳念珠菌（Candida auris），研究人员通过结构相似性鉴定了快速进化的蛋白酶体组装伴侣蛋白，并进行了功能表征。研究发现，尽管序列高度分化，但特定蛋白折叠而非具体氨基酸序列决定了其功能。基于此理论，研究人员成功通过结构引导的蛋白质设计，对Poc4伴侣蛋白进行了超过40个位点的突变，构建了能够恢复细胞复杂生物学功能的人工蛋白。这项工作揭示了蛋白质序列-结构-功能关系，为在非模式生物中进行功能预测和设计新型蛋白质提供了新范式。
在生命的微观世界中，蛋白质如同精密的分子机器，执行着细胞几乎所有的关键功能。一个核心的生物学信条是，蛋白质的三维结构决定了其氨基酸序列与生物功能之间的关系。长久以来，我们通过比较基因序列的同源性来推测蛋白质的功能。然而，大自然远比我们想象的更具创造力，一些功能上至关重要的蛋白质可能在漫长的进化过程中经历了剧烈的序列变化，以至于从序列上已难以辨认其“出身”。这给生物学家，尤其是在研究对人类构成威胁的病原体时，带来了巨大挑战。耳念珠菌（Candida auris）便是近年来备受关注的“超级真菌”，它能引发致命的侵袭性感染，且对多种抗真菌药物耐药。理解其生物学过程，包括像蛋白质降解这样的基本细胞功能，对于开发新疗法至关重要。然而，作为非模式生物，其许多基因的功能仍是未知的。这就引出了一个根本性问题：当基因序列“面目全非”时，我们还能否准确预测其编码蛋白的功能？
近年来，蛋白质结构预测领域取得了突破性进展，使得研究者能够以前所未有的便捷度获得蛋白质的三维模型。这带来一个激动人心的前景：能否绕过快速分化的序列，直接利用保守的蛋白质结构骨架来识别“深层”的进化同源关系，并进而推测基因功能？这正是发表在《Nature Communications》上的一项研究所要探索的核心。该研究并非停留在理论层面，而是大胆地将结构相似性作为“导航图”，在致病真菌耳念珠菌中，定位并深入研究了一类快速进化的蛋白质——蛋白酶体组装伴侣，并以“蛋白质设计”这一前沿工具对“结构决定功能”的理论进行了严格验证。
为了开展这项研究，作者们主要运用了以下几项关键技术：首先，利用先进的蛋白质结构预测与比对算法，在全基因组范围内系统地筛选和识别与已知蛋白酶体组装伴侣具有结构相似性的蛋白，这是发现候选基因的关键。其次，结合遗传学手段，在耳念珠菌中构建基因敲除（knock-out）菌株，以评估目标基因缺失对细胞生长、压力耐受（如热激）及蛋白酶体组装状态的影响，这是进行功能表征的基础。接着，通过体外生化实验，如纯化重组蛋白并进行凝胶过滤层析（size-exclusion chromatography），分析蛋白质复合物的形成，验证其分子伴侣活性。最后，也是本研究的亮点，即基于结构的理性设计（structure-informed design），对目标蛋白进行大规模氨基酸替换（超过40个位点），构建人工蛋白序列，并通过上述功能实验验证这些“人工产物”能否在活细胞中替代天然蛋白的功能，从而在分子和细胞水平上验证结构决定功能的假说。
通过结构相似性鉴定快速进化的蛋白酶体组装伴侣
研究人员首先利用计算结构比对方法，在包括耳念珠菌在内的多种酵母基因组中，搜寻与已知的蛋白酶体组装伴侣（如Pba1-Pba2, Poc4等）结构相似的蛋白质。他们发现，在耳念珠菌中，存在一个与酿酒酵母（S. cerevisiae）的Poc4蛋白结构高度相似但序列一致性极低的蛋白，他们将其命名为C. auris Poc4 (CaPoc4)。这一发现表明，尽管序列在进化中发生了剧烈分化，但维持蛋白酶体组装所必需的特异性三维折叠（fold）可能被保留了下来。
在耳念珠菌中表征CaPoc4的功能
为了确认CaPoc4是否真的发挥着与酿酒酵母Poc4相似的功能，研究人员构建了CaPOC4基因敲除菌株。功能实验表明，缺失CaPOC4的耳念珠菌细胞表现出对热激等蛋白毒性压力的敏感性增加，这与蛋白酶体功能受损的表型一致。进一步的生化分析显示，Δpoc4菌株中20S蛋白酶体核心颗粒（core particle, CP）的组装效率降低，且存在前体复合物的积累。这些表型与在酿酒酵母中敲除POC4的结果类似，强烈提示尽管序列不同，CaPoc4在耳念珠菌中承担着保守的蛋白酶体组装分子伴侣的功能。
通过蛋白质设计验证结构-功能关系
这是本研究最具创新性的部分。为了直接验证“特定折叠（而非具体序列）是功能所必需的”这一理论，研究团队进行了大胆的蛋白质设计实验。他们以结构高度保守的Poc4折叠为蓝图，对CaPoc4的氨基酸序列进行了大规模的重新设计，创造出了“人工Poc4”蛋白。这个设计蛋白与天然CaPoc4的序列相似度很低，突变超过了40个残基。令人惊讶的是，当将这个完全由人工设计的蛋白质基因回补到Δpoc4耳念珠菌细胞中时，它成功地挽救了突变体的所有缺陷表型：细胞恢复了正常的生长和对热激的耐受能力，并且20S蛋白酶体的组装也恢复正常。这一结果提供了强有力的直接证据，证明只要维持正确的三维结构，即使采用一条在自然进化中几乎不可能通过逐步突变达到的人工序列，也能执行复杂的生物学功能。
本研究得出结论，蛋白质的结构相似性能够揭示超越序列相似性的深层同源（deep homology）关系，是预测非模式生物（如病原真菌耳念珠菌）中基因功能的有效工具。更重要的是，研究通过结构引导的蛋白质设计实践，将“结构决定功能”的理论从概念推向了实证。实验证明，具有特定结构属性的蛋白质在功能上是可以互换的，即使它们并非共同进化历史的产物。这不仅深化了我们对蛋白质进化中功能约束的理解，也展示了计算结构生物学与合成生物学结合的巨大潜力。这项工作的意义在于双方面：一方面，它为“回顾性”的功能预测提供了新范式，即利用结构信息在序列快速分化的物种中鉴定功能同源蛋白，这对于研究病原微生物和开发新药靶点具有重要意义；另一方面，它也为“前瞻性”的蛋白质设计开辟了新道路，表明我们可以基于结构蓝图探索自然进化未曾涉足的广阔序列空间，从而创造出具有特定功能的人工蛋白质，用于生物技术或治疗应用。总之，该研究巧妙地连接了进化生物学、结构生物学与合成生物学，为理解和设计生命分子机器提供了强大的新框架。
