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| 中國海洋大學在蛋白質溫度適應和趨同進化研究中取得新進展 |
| http://www.scgc168.com 2025年10月17日 來源：華禹教育網 |
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近日，中國海洋大學水產學院、海水養殖教育部重點實驗室、山東省海水綠色養殖與智慧漁業重點實驗室、未來海洋學院董云偉教授團隊構建了“分子動力學模擬–酶促動力學–蛋白表達驗證–人工智能深度學習”的研究框架，將深度學習技術方法帶入到海洋動物蛋白質結構研究中，系統分析了海洋魚類蛋白質結構穩定性對溫度的適應模式，揭示了其趨同進化特征。研究成果以“Temperature adaptation in structure and function in lactate dehydrogenase-A reflects convergent evolution in a few key protein regions”（乳酸脫氫酶A結構與功能的溫度適應揭示蛋白質關鍵區域的趨同進化）為題，發表在國際知名學術期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（《美國科學院院報》）。
酶結構和功能的溫度穩定性差異決定著所有生物的最適和極端生存溫度，理解酶結構和功能的溫度適應機制有助于深入探究蛋白質結構-功能關系的演化，并從機理上揭示溫度變化對物種分布的影響。隨著計算機技術和人工智能的發展，大規模深入探究蛋白質結構功能的趨同進化機制成為可能。
研究團隊以277種海洋魚類的乳酸脫氫酶A為研究對象，構建了“分子動力學模擬–酶促動力學–蛋白表達驗證–人工智能深度學習”的研究框架，探究了氨基酸替換對酶溫度適應性的潛在影響。首先，基于Gromacs分子動力學模擬發現，酶結構穩定性隨環境溫度升高而增強，并確定了變異位點的位置；進而結合ColabFold蛋白質結構預測，發現18個與溫度顯著相關的氨基酸位點（TRSS），明確了蛋白質結構與酶適應溫度的關系。并在模式生物斑馬魚上對7個TRSS進行定點突變實驗和酶促動力學測定，發現5個TRSS的突變會顯著影響酶功能特征（即KmPYR和熱殘留活性），這進一步證明了趨同進化是酶結構和功能進化的主要機制。最后，團隊構建了結合圖神經網絡（GNN）與XGBoost算法的深度學習預測模型，從酶的結構和功能特征成功預測了生物的溫度耐受能力。本研究成功將海洋動物溫度功能適應研究推動到了人工智能階段。
圖1 海洋魚類LDH-A同源物的序列比對和模型模擬結果
團隊合影
中國海洋大學水產學院董云偉教授為文章通訊作者，中國海洋大學水產學院/未來海洋學院博士生朱曉露為第一作者。研究工作獲得國家自然科學基金杰青項目、國家自然科學基金面上項目和中國海洋大學優青培育計劃等項目的支持。董云偉教授團隊主要從事海洋生物環境適應和分布變化相關研究，近年來在海洋動物蛋白質結構和功能適應領域以第一作者和通訊作者連續4次發表在《美國科學院院報》（PNAS）上，推動了相關領域發展。
文：朱曉露 董云偉
文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/suppl/10.1073/pnas.2517759122
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