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本研究利用AlphaFold2预测的11,269个酶结构，系统分析了酵母亚门400万年进化过程中361个代谢反应相关酶的结构演化规律。研究人员通过整合结构生物学、进化基因组学和代谢网络分析，首次揭示代谢特性从物种特化、通路组织到分子层面多尺度地塑造酶结构进化，发现氧化还原酶和中心代谢通路酶具有最高保守性，而水解酶和脂代谢酶变异最大。该研究为理解代谢网络与蛋白进化的协同演化提供了新视角，对酶功能注释和代谢工程具有重要指导意义。论文发表于《Nature》。
在生命演化的长河中，代谢网络如同城市的交通系统，而执行代谢反应的酶就是维持运转的"分子机器"。长期以来，科学家们困惑于一个基本问题：这些"分子机器"的结构是如何被其执行的代谢功能所塑造的？传统研究受限于实验测定蛋白质结构的效率，难以从宏观进化尺度揭示这一奥秘。随着AlphaFold2等深度学习技术的突破，系统研究蛋白质结构演化与代谢功能的关系成为可能。
Max Planck研究所（Max Planck Institute）的研究团队选取了酵母亚门（Saccharomycotina）26个代表物种，涵盖4亿年进化历史，通过AlphaFold2预测了11,269个代谢酶的三维结构，对应361个代谢反应和224条通路。这项发表于《Nature》的研究首次从多尺度揭示了代谢网络如何塑造酶蛋白的结构演化。
研究采用的关键技术包括：1) 利用AlphaFold2 v2.0.1预测9,968个酶结构，结合AlphaFoldDB已有的1,301个结构；2) 基于结构比对优化424个直系同源群（orthogroup）划分；3) 对9个代表性酵母菌株进行蛋白质组定量；4) 整合基因组尺度代谢模型（GEMs）预测代谢通量；5) 采用PAML进行正向选择分析。
【代谢特化驱动结构分化】
研究发现物种代谢特化显著影响酶结构演化。能发酵葡萄糖、半乳糖的酵母中，三羧酸循环（TCA cycle）和电子传递链（ETC）相关酶如Kgd2p、Cox7p等呈现更高变异。特别在木糖利用能力不同的菌株中，乙酰辅酶A合成酶同源物Acs1p/Acs2p表现出明显分化模式，显示代谢特化导致的结构适应。
【通路层级约束】
中心代谢通路酶最为保守，特别是嘌呤合成、氨基酸合成等途径。相反，脂代谢（如脂肪酸氧化的Tes1p、鞘脂合成的Tsc10p）和蛋白质糖基化相关酶变异最大。氧化还原酶（oxidoreductases）保守性显著高于水解酶（hydrolases），金属离子依赖酶也比非依赖酶保守7.6%。
【分子功能与通量关联】
高丰度酶更趋向保守，但水解酶打破这一规律。值得注意的是，代谢通量变异性（而非绝对通量）与结构保守性显著相关（Spearman's ρ=-0.27）。自杀酶如硫胺素合成途径的Thi4p虽丰度低但高度保守，反映代谢成本的特殊约束。
【结构元件分层演化】
酶不同结构元件呈现明显演化层级：结合位点（CR=71.2%）>核心区>表面区（CR=53.6%）。扩展结构（如β-折叠）比螺旋结构更保守。成本优化主要发生在表面区，核心区富含丙氨酸，表面区富含甘氨酸。通过机器学习鉴定出保守簇（conserved clusters）能有效预测81%已知结合位点。
【功能位点的保守性】
正向选择分析揭示电子传递链复合体（如Qcr2p）中96个正向选择位点位于蛋白相互作用界面。保守簇不仅包含91%已知小分子结合位点，还与蛋白相互作用位点重叠，说明功能约束维持关键相互作用网络。
这项研究建立了代谢网络塑造蛋白结构演化的多尺度框架，证明代谢功能而非随机突变主导酶蛋白进化。该发现对理解生命早期代谢网络起源、指导工业酶理性设计具有重要意义。特别值得注意的是，研究揭示代谢通量变异性（而非绝对水平）是驱动结构演化的关键因素，为进化系统生物学提供了新视角。技术层面，该工作展示了计算结构生物学与实验组学整合的巨大潜力，为大规模酶功能注释提供了新范式。
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